View
10
Download
1
Category
Preview:
Citation preview
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN 10 MEI 2016
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
2
Contactpersonen
WOUTER WIERSEMA Adviseur Spoor
T 06-27 06 00 40
E wouter.wiersema@arcadis.com
Arcadis Nederland B.V.
Postbus 220
3800 AE Amersfoort
Nederland
ROBERT JAN ROOS Senior adviseur Spoor
T 06-27 06 05 83
E robertjan.roos@arcadis.com
Arcadis Nederland B.V.
Postbus 220
3800 AE Amersfoort
Nederland
LEANDER NOORDIJK Senior adviseur (brand)veiligheid
T 06-11 79 04 29
E leander.noordijk@arcadis.com
Arcadis Nederland B.V.
Postbus 220
3800 AE Amersfoort
Nederland
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
3
INHOUDSOPGAVE
1 INLEIDING 5
1.1 Achtergrond 5
1.2 Afbakening onderzoek 5
1.3 Disclaimer 5
1.4 Leeswijzer 5
2 INFORMATIE 6
2.1 Inleiding 6
2.2 Brandstofcellen 6
2.3 Batterijen 8
2.4 Materieel 9
2.5 Benodigde hoeveelheid energie 15
2.6 Waterstof en energievoorziening 18
2.7 Veiligheid 26
3 BEANTWOORDING ONDERZOEKSVRAGEN 29
3.1 Haalbaarheid 29
3.2 Rijkarakteristieken 29
3.3 Kosten 31
3.4 Omgeving 32
3.5 Hoeveelheden – Waterstof 32
3.6 Hoeveelheden – Batterijen 35
3.7 Hoeveelheden – Energie 35
3.8 Veiligheid 38
4 TOTALE INVESTERINGSKOSTEN 45
4.1 Inleiding 45
4.2 Kosten 45
4.3 Samenvatting kosten regionale lijnen 47
4.4 Kosten voor de spoorlijnen Leeuwarden – Groningen
Europapark en Groningen – Bremen 49
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
4
4.5 Conclusie 49
5 CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN 50
5.1 Samenvatting 50
5.2 Conclusies 50
5.3 Aanbevelingen voor verder onderzoek 51
5.4 Dankwoord 51
6 VERWIJZINGEN 52
BIJLAGEN
BIJLAGE A BEPALING AANTAL
TREINSTELLEN 53
BIJLAGE B INVESTERINGSKOSTEN
AANPASSING MATERIEEL 54
BIJLAGE C INVESTERINGSKOSTEN
TANKSTATIONS 55
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
5
1 INLEIDING
1.1 Achtergrond
Momenteel vindt de exploitatie van regionale treindiensten in de provincies Groningen
en Fryslân voornamelijk plaats met diesel aangedreven treinen. Om enerzijds tot een
CO2 neutraal spoor te komen in de toekomst en anderzijds de exploitatiekosten te
beperken, worden alternatieven voor diesel aangedreven treinen onderzocht.
De aanleg van bovenleiding (elektrificatie) kan een alternatief zijn, maar vergt ook
aanzienlijke investeringen. Een alternatief voor het aanleggen van bovenleiding zou
het gebruik van waterstof als brandstof kunnen zijn, aangezien bij de verbranding
simpelweg water wordt geproduceerd.
1.2 Afbakening onderzoek
Dit onderzoek is gericht op het inzicht krijgen in de effecten op de exploitatie als ook
de consequenties met betrekking tot de investeringen van exploitatie met waterstof.
Dit onderzoek omvat daarom de verwachte prestaties/rijkarakteristieken van materieel
gebaseerd op toepassing van een combinatie van waterstof en batterijen. Op basis
van deze prestaties wordt vervolgens de benodigde hoeveelheid waterstof bepaald en
de energiebehoefte om deze waterstof te genereren. Ook wordt gekeken naar
verschillende manieren om deze energie op duurzame wijze te genereren. Daarnaast
wordt aandacht besteed aan de veiligheidsaspecten van gebruik van waterstof als
energiedrager voor de treinen.
Op basis van de verzamelde informatie worden vervolgens twee
investeringsberekeningen gemaakt, waarbij de energiekosten ofwel worden
meegenomen in de investeringskosten ofwel in de exploitatiekosten.
1.3 Disclaimer
Bij het gebruik van de informatie in deze rapportage dient de lezer zich het volgende
te realiseren:
Er zijn op het moment van schrijven nog geen batterij-waterstoftreinen in exploitatie
en het gebruik van waterstof als energiedrager voor de transportsector is nog (relatief)
beperkt. Zo is de eerste materieelleverancier nog bezig met de ontwikkeling van het
materieel. Verder zijn de benodigde faciliteiten en voorzieningen zoals in de
rapportage beschreven voor de toepassing van batterij-waterstoftreinen in de
Noordelijke provincies in capaciteit groot in vergelijking met de huidige wereldwijd
bekende in gebruik zijnde faciliteiten en voorzieningen. De investerings- en
exploitatiekosten zijn zo goed mogelijk ingeschat op basis van extrapolatie van de
verkregen informatie en bekende kentallen en bedragen. Toekomstige
ontwikkelingen, aanvullende informatie en opgedane ervaringen hebben invloed op de
daadwerkelijke investerings- en exploitatiekosten.
1.4 Leeswijzer
In dit rapport worden in hoofdstuk 2 de belangrijkste technische aspecten nader
beschreven. In de uitvraag zijn een aantal vragen gesteld, die in hoofdstuk 3 worden
beantwoord. In hoofdstuk 4 worden vervolgens de investeringsberekeningen
gepresenteerd. In hoofdstuk 5 worden de bevindingen samengevat en de conclusies
en aanbevelingen gepresenteerd.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
6
2 INFORMATIE
2.1 Inleiding
In dit hoofdstuk worden de belangrijkste technische aspecten beschreven. Dit zijn
eerst de brandstofcellen en de batterijen, op basis waarvan een soort conceptueel
ontwerp wordt gemaakt voor een batterij-waterstoftrein. Dit wordt vervolgens specifiek
gemaakt op basis van ombouw van het bestaande materieel en er wordt gekeken
naar ontwikkelingen bij materieelleveranciers. Tenslotte worden de
veiligheidsaspecten in algemene zin beschouwd.
2.2 Brandstofcellen
Werking
De werking van een brandstofcel wordt veelal beschreven als ‘omgekeerde
elektrolyse’ en vergeleken met batterijen. Brandstofcellen zijn namelijk
elektrochemische apparaten die chemische energie direct omzetten in elektrische
energie waarbij waterstof gebruikt wordt als de energiedrager. Dit heeft als voordeel
dat er nauwelijks verliezen optreden en de brandstofcel een hogere efficiëntie heeft
dan dieselmotoren. Het grote verschil tussen een brandstofcel en een batterij is dat in
een brandstofcel de mogelijkheid bestaat om steeds opnieuw reagentia, zijnde
waterstof en zuurstof, aan te voeren terwijl in een batterij de reagentia opgeslagen
liggen en hierdoor beperkt zijn. De waterstof wordt geleverd aan de anode, waar het
gesplitst wordt. Hier vindt namelijk de volgende reactie plaats, versneld door de
platina katalysator.
Anode reactie: H2 2H+ + 2e
–
De protonen gaan door het membraan naar de kathode. Aan deze zijde van het
membraan, vindt de reactie plaats met zuurstof uit de lucht. Deze reactie wordt ook
versneld door de aanwezigheid van de katalysator.
Kathode reactie: 2H+ + 2e
– + ½O2 H2O
De elektronen die tijdens de reactie aan de anode worden geproduceerd, zijn benodigd voor de reactie aan de kathode zijde van de brandstofcel. Het aanwezige membraan is geschikt voor het doorlaten van de protonen en functioneert als een elektrische isolator, waardoor het ondoordringbaar is voor elektronen. Hierdoor zijn de elektronen ‘gedwongen’ om door het externe elektrische circuit te stromen naar de kathode zijde. Aan dit elektrische circuit wordt de elektromotor gekoppeld, waardoor de opgewekte elektriciteit hiervoor gebruikt kan worden. Het proces is weergegeven in onderstaand figuur.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
7
Figuur 1 Schema: werkingsprincipe PEM brandstofcel
Brandstof
Pure waterstof is veelal de keuze van de brandstof voor de brandstofcel in transport
applicaties. Echter, de beschikbaarheid van pure waterstof is gelimiteerd. Het is ook
mogelijk om een waterstof bevattende hydrocarbon brandstof (zoals aardgas,
propaan, et cetera) toe te passen, die meer beschikbaar is. Deze brandstof wordt
omgezet in een waterstofrijk gas. Dit proces kan worden geïntegreerd in het
brandstofcelsysteem. Een enkele brandstofcel levert een potentiaalverschil tussen de
0,5 en 1 Volt, wat veel te laag is om het op grote schaal toe te kunnen passen.
Daarom worden de individuele brandstofcellen gestapeld tot hogere voltages, zoals
ook in batterijen gebeurt. Dit totaalpakket wordt een brandstofcel stack genoemd. Het
meest gangbare vermogen van deze stacks is 100 kW.
Typen brandstofcellen
Er zijn momenteel verschillende soorten brandstofcellen in omloop. De verschillen
tussen deze brandstofcellen zijn voornamelijk gerelateerd aan het soort elektrolyt en
katalysator en de bedrijfstemperatuur. Voor de batterij-waterstoftrein wordt gebruik
gemaakt van een Proton Exchange Membrane (PEM) brandstofcel, zoals deze in
Figuur 1 is weergegeven. De eigenschappen van een PEM brandstofcel zijn bijzonder
geschikt voor toepassing in de batterij-waterstoftrein. Zo opereert een PEM
brandstofcel onder normale omstandigheden, namelijk rond de 80°C. Andere type
brandstofcellen opereren op 200°C (PAFC) of 600°C (SOFC). Daarnaast wordt in een
PEM brandstofcel platina gebruikt als katalysator voor het in gang brengen van de
chemische reactie. Hoewel platina zeer kostbaar is, is het voordeel dat de katalysator
gemakkelijk vervangen kan worden. Tot slot is de levensduur van een PEM
brandstofcel relatief lang in vergelijking met andere typen brandstofcellen. Daarbij is
de verwachting dat de komende tijd er verdere verbeteringen plaatsvinden waardoor
de levensduur verlengd wordt.
Prestaties en efficiency
Het vermogen van een brandstofcel is regelbaar van een beperkt vermogen tot het
maximum vermogen. De nieuwere generaties brandstofcellen kunnen goed geregeld
worden en ook uitgeschakeld (bron: Alstom). Bij de eerdere generaties
brandstofcellen moest het volledig uitschakelen en weer opstarten van de
brandstofcel zoveel mogelijk voorkomen worden.
De efficiëntie van een brandstofcel (omzetting waterstof naar elektrisch vermogen)
bedraagt bij het maximale vermogen van de brandstofcel ongeveer 55%.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
8
Bij lagere vermogens neemt de efficiëntie toe1. Een deel van de resterende energie
komt vrij als warmte. In de brandstofcelmodule is dan ook koeling geïntegreerd om de
brandstofcel op een temperatuur van 60 tot 65°C te houden.
Figuur 2: impressie brandstofcel stack (Nedstack FCS 10-XXL PEM fuel cell stack; 9,5kWe)
Leveranciers
Er zijn verschillende leveranciers van brandstofcellen, waaronder Hydrogenics,
Nedstack en Ballard.
Kosten en afmetingen
De kosten voor een 500kW brandstofcelmodule opgebouwd uit een veelvoud aan
stacks bedragen zo’n € 750.000,= tot € 1.000.000,=.
De afmetingen van een 9,5kWe fuel cell stack zijn (bij Nedstack) 550x194x288 mm
(l x b x h) en hebben een massa van zo’n 40kg.
Onderhoud en controles
Voor de levensduur van een brandstofcel wordt uitgegaan van 15 jaar. Deze hangt
samen met de platina katalysator.
2.3 Batterijen
Supercaps
Om de benodigde capaciteit te bieden voor het laten aanzetten (accelereren) van een
trein wordt veel gevraagd van het systeem voor energieopslag. Er is in een beperkte
tijd een grote vermogensvraag en tijdens het remmen evenzo een groot aanbod. Voor
accu`s zijn dergelijke vermogenspieken in met name de laadstroom ongunstig en
daarom is het voorstel om supercaps (super- of ultracapacitoren) te gebruiken. Deze
kenmerken zich door de eigenschap om in een zeer korte tijd een grote hoeveelheid
energie op te nemen en weer af te staan. In het OV worden deze inmiddels al vaker
ingezet bij trams; voor treinen is deze technologie nog zeldzaam. Doordat de behoefte
aan energie tijdens de aanzet tot hogere snelheden erg hoog is vraagt dat een hogere
capaciteit aan energieopslag, waardoor de techniek nog weinig wordt toegepast voor
treinen. De volledige aanzet op supercaps of geassisteerd door supercaps laten
plaatsvinden zou een aanzienlijke capaciteit vragen.
Implementatie
Het voorstel is daarom om de supercaps te laten assisteren bij de acceleratie boven
de ongeveer 40 kilometer per uur.
1 In de berekeningen in dit rapport wordt uitgegaan van een efficiëntie van 55%,
omdat de brandstofcel vrijwel altijd bij hoog vermogen wordt gebruikt.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
9
Tot een lage snelheid leveren de brandstofcellen voldoende vermogen voor een
normale aanzet, maar daarboven is meer vermogen wenselijk. Het benodigde aantal
supercaps is afhankelijk van de gevraagde acceleratie en/of topsnelheid. Dit moet ook
afgewogen worden aan de technische mogelijkheden gezien de plaatsing en het
gewicht. De supercaps of een deel ervan zouden op het dak van het treinstel
geplaatst kunnen worden, maar dat vraagt om een herziening van het treinontwerp
aangezien daar reeds andere componenten aanwezig zijn.
Prestaties en prestatieafname
Supercaps gaan tot één miljoen cycli mee, wat neerkomt op het de levensduur van
een regionale trein. Een trein rijdt gemiddeld tussen de vijf en tien miljoen kilometer
gedurende de technische levensduur en afhankelijk van de inzet. Met een
halteafstand van circa 5 kilometer zijn de supercaps goed voor de levensduur van
circa 5 miljoen kilometer voor een regionale trein.
De capaciteit van de supercaps neemt geleidelijk af en dat is bij het regulier
onderhoud te meten, zodat preventieve vervanging plaats kan vinden als daar
aanleiding voor is. Tenslotte is overdimensionering van de supercaps te overwegen,
zodat slechts een deel van de capaciteit van de supercaps wordt gebruikt bij een
cyclus, waardoor de capaciteit meer kan afnemen alvorens de capaciteit te weinig
wordt.
Kosten en omvang
De kosten per module (met een vermogen van 95 kW voor 30 seconden) bedragen
circa € 30.000. Een dergelijke module heeft afmetingen van circa 60 x 80 x 200 cm en
weegt circa 500 kg. Dit is gebaseerd op de gegevens van AEP Hybrid Power.
2.4 Materieel
2.4.1 Inleiding
Vergeleken met de automotive branche zijn er in de spoorsector, mede door de lagere
budgetten, minder ontwikkelingen op het gebied van waterstof. In de afgelopen
decennia zijn er enkele pilots geweest waarbij onderzocht is hoe de brandstofcel
omgaat met de vermogensvraag. De meest recente en relevante ontwikkeling betreft
de ontwikkeling van een trein op een combinatie van waterstof en batterijen door
Alstom.
2.4.2 Conceptueel ontwerp Batterij-Waterstoftrein
De kenmerkende vermogensbehoefte van een (regionale) trein is een grote
vermogensvraag bij de aanzet en een constante (lagere) vermogensvraag op de
maximale snelheid. Bij het remmen kan vervolgens weer bewegingsenergie terug
worden gewonnen (en daarmee een overschot aan vermogen).
Aan de constante vermogensvraag op maximale snelheid moet gedurende langere
tijd kunnen worden voldaan, terwijl de (extra) vermogensvraag bij de aanzet
kortdurend is. Op basis hiervan wordt gedacht aan een brandstofcel met voldoende
vermogen om te voldoen aan de vermogensvraag op maximale snelheid.
Bij de aanzet kunnen de supercaps de brandstofcel ondersteunen en bij het
afremmen kan de remenergie worden gebruikt om de supercaps weer bij te laden. Als
de trein vervolgens stilstaat, kan de brandstofcel eventueel worden gebruikt om de
supercaps nog verder bijladen.
Het daadwerkelijk benodigd vermogen aan brandstofcellen en supercaps is
afhankelijk van de karakteristieken van de trein. Dit wordt in detail uitgewerkt voor het
bestaand materieel in 2.4.3 en verderop in deze paragraaf geïllustreerd voor
verschillende hoeveelheden supercaps.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
10
Mogelijkheden tot terugwinnen remenergie
Een mogelijkheid om energie te besparen is door de remenergie te benutten. Treinen
beschikken vaak over de mogelijkheid om naast pneumatisch op de remschijven of
blokken ook te remmen op de tractiemotoren. Deze energie wordt bij elektrische
treinen teruggevoerd in de bovenleiding en/of afgeleid naar weerstanden waar deze
wordt omgezet in warmte. Het voordeel van deze vorm van elektrodynamisch remmen
is dat de remschijven en blokken langer meegaan en dat bij teruglevering energie
wordt bespaard.
De energieopslag van de batterij-waterstoftrein wordt gevoed door de energie die de
tractiemotoren genereren tijdens een remming. Afhankelijk van de capaciteit van de
tractiemotoren kan hiermee een grote stroom gegenereerd worden. Bij het bestaande
GTW materieel van Stadler hebben de tractiemotoren een vermogen van 600 kW wat
hiervoor kan worden aangewend. De Coradia LINT op waterstof van Alstom kan
hierbij tot 1800 kW genereren.
Des te meer vermogen er geleverd kan worden des te meer remkracht kan worden
ingezet. Indien deze elektrodynamische remkracht niet aan de vraag van de remming
kan voldoen wordt er pneumatisch bijgeremd. Op basis van de hoeveel energie die
kan worden opgeslagen is te bepalen hoeveel kracht de elektrodynamische remming
moet hebben. Tevens kan op basis van die waarde worden bepaald of de remcurve
aangepast moet worden. Remmen op een hogere snelheid vraagt meer capaciteit,
waardoor de remming mogelijk langer wordt als er volledig elektrodynamisch geremd
moet worden. Door de pneumatische rem en eventuele magneetremmen komt de
veiligheid daardoor niet in het geding.
Illustratie optimalisatie hoeveelheid supercaps in relatie tot rijkarakteristieken
De invloed van de hoeveelheid supercaps in verhouding tot het vermogen van de
brandstofcel is geïllustreerd in figuren 3, 4 en 5. De berekeningen achter deze
illustraties zijn gebaseerd op de GTW 2/6 met een brandstofcel van 500kW, waarvan
450kW wordt aangewend voor de aandrijving en de rest voor de energievoorziening
van de treininstallaties. Er zijn zowel 4 als 8 modules supercaps (van ieder 300kWs)
toegepast en het motorvermogen is 650kW.
Bij de aanzet worden de supercaps ingezet vanaf een snelheid van 40 tot 60 km/h (bij
respectievelijk 8 en 4 modules supercaps) . De supercaps zorgen er zo voor dat de
trein eerder de maximale snelheid van 140 km/h bereikt. Bij 4 modules zijn de
supercaps eerder leeg dan dat de maximale snelheid van de trein is bereikt. De 8
modules zijn precies leeg als de maximale snelheid wordt bereikt.
Bij het afremmen (in beide gevallen vanaf 500 seconden na aanzet) wordt zodanig
elektrodynamisch geremd dat de maximale remenergie wordt teruggewonnen (met
een zekere efficiency uiteraard). Hierbij is te zien dat de supercaps in beide gevallen
weer volledig zijn gevuld voordat de trein stil staat.
Door meer supercaps toe te passen, kan dus meer remenergie worden
teruggewonnen, waardoor het netto waterstofverbruik af kan nemen (meer aandrijving
met remenergie uit supercaps). Dan moeten de supercaps wel in de treinstellen
passen in volume (ruimtebeslag) en gewicht.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
11
Figuur 3: Vermogensgebruik van de trein bij de aanzet, op snelheid en beschikbaar vermogen voor terugwinning bij het afremmen.
Figuur 4: Energie-inhoud van de supercaps (behorende bij voorgaande figuur). Na de aanzet zijn de supercaps volledig leeg. Bij remmen worden deze weer bijgevuld.
Figuur 5: Snelheid van de trein (behorende bij de vorige figuren). Te zien is dat meer supercaps ervoor zorgen dat de trein eerder de maximum snelheid bereikt.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
12
2.4.3 Aanpassing huidig materieel
Op de regionale lijnen in Groningen en Friesland rijden in de huidige situaties treinen
van Arriva bestaande uit GTW 2/6 en GTW 2/8 materieel van Stadler. Dit betreft
dieselelektrische treinstellen bestaande uit twee respectievelijk drie rijtuigen voorzien
van een aandrijvingsmodule waarin zowel de diesel- als de elektromotoren zijn
gesitueerd.
Het huidige GTW materieel van Stadler beschikt over een vermogen van 600 kW per
treinstel (zowel GTW 2/6 als GTW 2/8). Met dit vermogen is het mogelijk een
dienstregelingsnelheid van 140 kilometer per uur te halen en vol te houden. De
aanzet (acceleratie) van 0 tot 140 kilometer per uur geschied in circa 4 minuten.
Dit materieel is gebouwd tussen 2006 en 2012 en is met een technische
levensverwachting van 25 jaar derhalve nog niet afgeschreven. Vanuit het oogpunt
van duurzaamheid is het voorstel om naast de ontwikkelingen van de markt een
ombouw van dit materieel te overwegen. Hierbij is het bijvoorbeeld mogelijk om na het
verwijderen van de dieselmotoren en dieseltank de vrijgekomen ruimte in de
aandrijvingsmodule te benutten voor brandstofcellen en een vorm van energieopslag.
Afhankelijk van de vermogensvraag is het mogelijk om hiervoor een optimale
samenstelling te bepalen. De brandstofcellen dienen te voldoen aan de
vermogensbehoefte om op snelheid te blijven; de supercaps assisteren bij de aanzet.
Om aan dezelfde dienstregeling te kunnen voldoen, is in deze studie het uitgangspunt
geweest dat het huidige materieel na aanpassing vergelijkbare eigenschappen moet
hebben als het huidige materieel.
Figuur 6: Stadler GTW 2/8 van Arriva © Björn Nielsen
Het minimaal benodigde mechanische vermogen om een GTW 2/8 (drie rijtuigen) een
constante snelheid van 140 kilometer per uur te laten volhouden bedraagt circa 500
kW. Dat van een GTW 2/6 (twee rijtuigen) bedraagt circa 425 kW, zoals hieronder is
weergegeven:
Berekening benodigd vermogen voor constante snelheid van 140 kilometer per uur:
Voor de arbeid geldt
𝑒 = 𝑓 ∙ 𝑠 (Arbeid is kracht maal afstand)
𝑒 = 𝑃 ∙ 𝑡 (Energie/arbeid is vermogen maal tijd)
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
13
De snelheid is 39 m/s. Dus als je van één seconde uitgaat krijg je de volgende
berekening gebaseerd op een treinweerstand van 10,9 kN (GTW 2/6):
𝑒 = 10,9kN ∙ 39 m/s = 425kJ
ofwel een benodigd vermogen van 425kW.
Indien zaken als de efficiency van de elektromotoren en verbruik door verlichting,
koeling en andere zaken in de trein (44 kW) worden meegenomen volgt een benodigd
minimaal vermogen vanuit de brandstofcellen dat vergelijkbaar is met dat van de
bestaande dieselmotoren. Tijdens de acceleratie steunen de supercaps de aanzet.
Voor de GTW 2/6 zijn hiervoor 4 modules nodig en voor de GTW 2/8 zijn hiervoor 6
modules nodig. Bij de GTW 2/6 kunnen deze dan een vermogen leveren van 200 kW
gedurende ongeveer een minuut of 100 kW gedurende 2 minuten.
Figuur 7: De aandrijvingsmodule van de Stadler GTW 2/6 en GTW 2/8 en de
beschikbare ruimte erin.
De vraag is of dat technisch haalbaar is om dit onder te brengen in de
aandrijvingsmodule van een GTW treinstel. Naar verwachting moeten minimaal de
waterstoftanks op het dak van het treinstel worden geplaatst (eveneens wenselijk
vanuit oogpunt van veiligheid) en dan nog is de ruimte zeer beperkt.
Voor de GTW 2/8 houdt dit mogelijk in dat er twee aandrijvingsmodules in het treinstel
moeten worden geplaatst. Technisch is dit mogelijk; van deze verbouwing bestaan al
plannen. In een GTW 2/6 treinstel is dat echter onmogelijk. Een optie is om de GTW
2/8 treinstellen in te richten voor de langere afstanden; met een groter vermogen om
140 kilometer per uur te kunnen halen en volhouden. Deze treinstellen worden dan,
indien nodig, voorzien van een extra aandrijvingsmodule. De GTW 2/6 treinstellen
worden dan ingericht voor de regionale diensten die minder hoge snelheden eisen en
vaker moeten aanzetten en afremmen2. Bij de GTW 2/6 is de verhouding supercaps
versus brandstofcellen in die situatie hoger.
Met de brandstofcellen, waterstoftanks en supercaps is het gewicht vergelijkbaar of
iets lichter dan in de huidige configuratie met dieselgeneratoren.
Eventuele extra capaciteit kan worden geboden door bijvoorbeeld ook
dieselelektrische GTW treinstellen die beschikbaar komen van Veolia (na beëindiging
van haar concessie in Limburg en elektrificatie van de Maaslijn) over te nemen. Deze
treinstellen zijn te gebruiken voor extra capaciteit en eventueel voor het overnemen
van de aandrijvingsmodules.
2.4.4 Alstom
Alstom is in samenwerking met Hydrogenics als brandstofcel leverancier, DLR (Duits
equivalent van TNO) als ontwikkelingspartner en het Duitse Ministerie als co financier
2 Merk op dat dit beperkend is voor de vervoerder qua dienstregeling, capaciteit en
aansturing.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
14
bezig met de ontwikkeling van een regionale trein aangedreven door brandstofcellen.
Op basis van de Coradia LINT wordt een nieuw treinstel ontwikkeld met
brandstofcellen en energieopslag. Samen met de Duitse deelstaten Nedersaksen,
Noord-Rijnland-Westfalen, Baden-Württemberg en de OV-autoriteiten van Hessen
heeft zij een intentieverklaring getekend om deze treinen te gaan ontwikkelen en
leveren.
Figuur 8: Coradia LINT 54 van Alstom © Dominik
Vanaf eind 2016 gaan twee prototypes beproefd worden. De volgende stap is de
bouw van twee nieuwe treinstellen die vanaf begin 2018 in dienst gaan in Noord
Duitsland. Deze worden vanaf eind 2018 tot 2022 gevolgd door een serie van vijftig
tot zestig treinstellen voor de reguliere treindiensten. De eerste treinen zijn gebaseerd
op de Coradia LINT 54, bestaande uit twee rijtuigbakken. Daarnaast zijn er varianten
op waterstof in ontwikkeling op basis van de LINT 81 en de LINT 41. De onderlinge
verschillen betreffen de configuratie van het voertuig; LINT 54 (2 rijtuigbakken, 4
draaistellen), LINT 81 (3 rijtuigbakken), LINT 41(2 rijtuigbakken, 3 draaistellen).
De treinen zijn voorzien van opslag van waterstof en brandstofcellen op het dak van
de rijtuigbakken. Tanken geschiedt wel langs de zijkant van het voertuig op eenzelfde
wijze als bij waterstofbussen. De brandstofcellen, waterstoftanks en overige
installaties zijn componenten zoals deze ook worden toegepast in moderne
brandstofcelbussen. De Coradia LINT 54 wordt als eerste gebouwd en bestaat uit
twee rijtuigbakken met elk een brandstofcel, 90 kg aan opslagcapaciteit voor waterstof
en accu`s voor het opslaan van remenergie. Voor deze energieopslag maakt Alstom
gebruikt van lithium-ion accu`s in plaats van supercaps zoals voorgesteld in het
conceptueel ontwerp.
Het treinstel heeft evenveel zitplaatsen als haar dieselelektrische equivalent en kent
ook dezelfde topsnelheid van 140 kilometer per uur. Dankzij de accu`s is de
acceleratie vergelijkbaar of beter dan bij de diesel aangedreven treinstellen. Het
bereik bedraagt tussen de circa 600 en 900 kilometer op een volle lading waterstof
van 180 kg.
Toetsing en certificering van het concept en de treinstellen wordt verzorgd door het
Duitse TÜV Süd als independant safety assessor.
Tests in april 2016 in Frankrijk geven positieve resultaten op het gebied van trillingen
en schokken. Daarnaast is bij deze banktesten een lager verbruik geconstateerd dan
zij in eerdere berichten hadden opgegeven.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
15
Het verbruik en het bereik van de trein is afhankelijk van de rit circa 0,2 tot 0,28 kg
waterstof per km. Het verbruik wordt beperkt door gebruik te maken van een
intelligente vermogensregeling. Deze regeling is vooraf geprogrammeerd en tevens
zelflerend aan de hand van de energiebehoefte op een bepaald baanvak en geeft als
zodanig ook adviezen aan de treinbestuurder.
Voor zover bekend heeft Alstom met deze ontwikkeling als enige leverancier een
regionale trein op waterstof in haar portefeuille.
2.5 Benodigde hoeveelheid energie
Traject
De spoortrajecten in Groningen en Friesland kenmerken zich doordat met
uitzondering van de sneltrein Groningen – Leeuwarden de meeste treinen veel
halteringen kennen in de huidige situatie. De halte-afstanden variëren hierbij
afhankelijk van de plaatsen die aangedaan worden en er is ook variatie in snelheid.
Daarnaast zijn er verschillen in frequentie en treinlengte; deze vervoercapaciteit is
eveneens afhankelijk van het aantal reizigers.
Op het traject richting Roodeschool is de baanvaksnelheid bijvoorbeeld 80 kilometer
per uur, waar tussen Groningen en Leeuwarden delen geschikt zijn voor 140
kilometer per uur.
Tabel 1: Kenmerken trajecten
Traject Haltes Lengte (km) Baanvaksnelheid
Groningen – Leeuwarden1 9 (3) 54 100/140
Groningen – Bremen 18 172 120/140
Groningen – Nieuweschans 10 47 120/140
Groningen – Delfzijl 9 38 100/120
Groningen – Veendam 8 29 100/140
Groningen – Roodeschool 10 38 80/120
Leeuwarden – Stavoren 9 50 100/130
Leeuwarden – Harlingen Haven 6 26 100
1Betreft aantal haltes voor de stoptrein en tussen haakjes voor de sneltrein
Zoals te zien is in bovenstaande tabel kennen de baanvakken verschillende
snelheden en halteafstanden. De kleinste halteafstand bedraagt 1,7 km tussen
Groningen en Groningen Europapark. De grootste halteafstand bedraagt 37,6 km
voor de Intercity Groningen – Bremen.
De dienstregeling op de trajecten wordt met name bepaald door de enkelsporige
baanvakken, de kruisingsstations en de knopen in Groningen, Leeuwarden en
Duitsland. Uitgangspunt is daarom dat de waterstofbatterijtrein minimaal vergelijkbaar
moet presteren met het huidige dieselelektrische materieel. In de volgende paragrafen
worden de simulatieresultaten beschreven en deze zijn vervolgens geëxtrapoleerd
naar de andere baanvakken.
Gesimuleerde trajecten
Voor de baanvakken Leeuwarden – Groningen Europapark, Groningen – Bremen en
Groningen – Delfzijl zijn simulaties uitgevoerd om het energieverbruik te bepalen. Het
traject naar Delfzijl is mede gesimuleerd met het oog op de mogelijke
tankvoorzieningen ter plaatse en de geldende baanvaksnelheden op dat baanvak.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
16
Hiervoor zijn de baanvakken met hun eigenschappen (lokale snelheden en
haltelocaties) ingevoerd in Xandra treinsimulatiesoftware. Daarnaast is een treinstel
aangemaakt op basis van het bestaande GTW 2/6 materieel wat is voorzien van een
brandstofcel en supercaps.
Bij de simulaties zijn de volgende uitgangspunten gehanteerd:
• GTW 2/6 voorzien van brandstofcelvermogen van 456 kW en 190 kWs aan
supercap capaciteit.
• Efficiëntie brandstofcel 55% (omzetting waterstof naar elektrische energie),
representatief voor het rendement nabij inzet op hoog vermogen.
• Baanvakken zijn kaal gehouden; baanvak- en lokale snelheden en haltelocaties.
• Geen invloeden van treinen op elkaar.
• Geen geografische invloeden (hellingen).
• Maximale aanzet, rijden met maximale snelheid en maximale remming.
Gezien de fase waarin het project zich bevindt is de exacte treinconfiguratie en het
verbruik nog niet precies te bepalen. De invloed van hellingen, andere treinen en de
marges in de dienstregeling zijn daarom buiten beschouwing gelaten.
Groningen – Delfzijl zat oorspronkelijk niet in de scope, maar is ook gesimuleerd
omdat dit baanvak met de lagere snelheden representatiever is voor de overige lijnen.
In de onderstaande schema`s zijn de snelheid/wegdiagrammen weergegeven van de
ritten op de aangegeven baanvakken.
Figuur 9: Leeuwarden – Groningen (Stoptrein)
Figuur 10: Leeuwarden – Groningen (Sneltrein):
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
17
Figuur 11: Groningen - Bremen
Figuur 12: Groningen - Delfzijl
Naast de snelheden volgden de onderstaande verbruiksgegevens uit de
simulatie:
Tabel 2: Verbruiksgegevens gesimuleerde trajecten
Traject Verbruik per rit Verbruik per dag Verbruik per km
Leeuwarden – Groningen (stop) 12,2 kg 1559 kg 0,23 kg
Leeuwarden – Groningen (snel) 12,5 kg 2241 kg 0,22 kg
Groningen – Bremen 34,9 kg 2511 kg 0,20 kg
Groningen – Delfzijl 7,3 kg 933 kg 0,19 kg
De waardes bij het verbruik per dag geven aan hoeveel twee gekoppelde treinstellen
verbruiken; in de ontvangen gegevens (dienstregeling 2020 Programma Noord
Nederland) is het uitgangspunt dat alle diensten met twee treinstellen3 worden
uitgevoerd. De sneltrein Groningen – Leeuwarden is een uitzondering met drie
treinstellen.
Extrapolatie naar andere trajecten
Op basis van de simulaties zijn de overige baanvakken geëxtrapoleerd voor wat
betreft het energieverbruik. De resultaten uit de simulatie voor de aanzet, rijden op
snelheid en remming zijn doorgerekend met het aantal haltes en de afstand van de
baanvakken. Hieruit volgen de waardes zoals deze hieronder zijn opgenomen.
3 Dit zal in praktijk eerder gemiddeld over de dag het geval zijn (een deel van de dag
met 3 en een deel van de dag met minder). In de berekeningen wordt uitgegaan van twee treinstellen.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
18
Tabel 3: Extrapolatie verbruiksgegevens naar andere trajecten
Traject Verbruik per rit Verbruik per dag Verbruik per km
Groningen – Nieuweschans 8,9 kg 1145 kg 0,19 kg
Groningen – Veendam 5,6 kg 717 kg 0,19 kg
Groningen – Roodeschool 7,6 kg 976 kg 0,20 kg
Leeuwarden – Stavoren 9,2 kg 660 kg 0,18 kg
Leeuwarden – Harlingen Haven 4,9 kg 351 kg 0,19 kg
De waardes bij het verbruik per dag geven aan hoeveel twee gekoppelde treinstellen
verbruiken; in de ontvangen gegevens (dienstregeling 2020 Programma Noord
Nederland) is het uitgangspunt dat alle diensten met twee treinstellen worden
uitgevoerd.
Totale energievraag
Op basis van bovenstaande resultaten komt de energievraag neer op 0,18 tot 0,23 kg
per km. Verwacht wordt dat in de praktijk kan worden gerekend met een verbruik van
0,20 tot 0,25 kg per km.
De totale energievraag komt vervolgens, op basis van de ontvangen dienstregeling
gegevens, neer op een verbruik van ruim 11000 kg waterstof per doordeweekse dag.
Op jaarbasis komt dat neer op bijna 3,5 miljoen kilogram waterstof per jaar.
Bij de energievraag moeten een aantal kanttekeningen worden geplaatst:
• Er is uitgegaan van de ontvangen dienstregeling-gegevens (2020 Programma
Noord Nederland). Hierin worden alle treindiensten met meerdere treinstellen
gereden. Naar verwachting is dit in de praktijk alleen in de (brede) spitsen van
toepassing en wordt buiten de spits en in de avonden de treindienst uitgedund.
• In de simulaties is gerekend met een treinstel van het type GTW 2/6, daar waar in
de praktijk ook GTW 2/8 wordt ingezet.
• Bij inzet van dubbele treinstellen is het verbruik in de berekeningen nu dubbel zo
hoog, terwijl er in werkelijkheid een efficiencywinst is door de reductie van de
luchtweerstand.
• Bij de inzet van dubbele treinstellen is de extra vermogensvraag voor het GTW 2/8
materieel vergelijkbaar met de efficiencywinst door het inzetten van meer
treinstellen (reductie luchtweerstand).
• Voor de weekenden is gerekend met inzet met een lagere frequentie en
materieelinzet; zaterdag en zondag samen worden gerekend als één weekdag.
Bij uitdunning van de gegeven dienstregeling zoals aangegeven, zal het verbruik per
dag en per jaar afnemen.
2.6 Waterstof en energievoorziening
2.6.1 Waterstof als energiedrager
In deze berekeningen wordt uitgegaan van het waterstof verbruik zoals direct hiervoor
aangegeven. Per doordeweekse dag is ongeveer 11000 kg waterstof benodigd, wat
overeen komt met bijna 3,5 miljoen kilogram waterstof per jaar.
2.6.2 Beschikbaarheid van waterstof
Waterstof is beschikbaar en kan geleverd worden door de industrie.
Waterstof is een bijproduct van de chloorproductie (door middel van elektrolyse van
een natriumchloride oplossing), onder andere bij Akzo Nobel in Delfzijl.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
19
De maximaal beschikbare waterstof bij Akzo in Delfzijl komt ongeveer overeen met de
benodigde hoeveelheid die hiervoor is genoemd. In [1] wordt een inkoopprijs van € 0
tot € 3.80 per kilogram genoemd. Nihil is echter niet realistisch, dus bij de genoemde
afname wordt uitgegaan van een inkoopprijs van € 2,= per kg. Hierbij komen nog
kosten voor het comprimeren, transport en tanken van de waterstof.
De inschatting is dat de kosten van waterstof van deze bron (exclusief tanken,
inclusief transport en comprimeren) ongeveer € 5,= kunnen gaan bedragen. Hiervan
wordt ook uit gegaan in de berekeningen. Dit komt overeen met de prijs die ECN op
de langere termijn aanhoudt in diverse presentaties [2] [3].
Daarnaast kan waterstof worden geproduceerd uit koolwaterstoffen als aardgas
(stoom reforming). Hierbij wordt CO2 geproduceerd en de productie is dan niet
emissievrij. In [1] uit 2010 wordt voor de kostprijs voor waterstof uit stoom reforming in
de Provincie Overijssel ongeveer € 9.42 per kilogram aangehouden (inclusief
compressie en transport). Aangezien dit niet de meest voor de hand liggende
oplossing is (niet emissievrij en niet specifiek interessant voor de Noordelijke
provincies), is dit niet verder uitgezocht. Vermeldenswaardig is nog wel dat door
duurzaam opgewekte energie aan het net te leveren (en niet te gebruiken voor
waterstofproductie) en koolwaterstoffen in te zetten voor de productie van waterstof
door stoom reforming er tweemaal zoveel waterstof kan worden geproduceerd [1].
Een andere bron [Air products] geeft een gemiddelde prijs van waterstof uit de
industriële sector met klasse 5.0 bedraagt € 7.90 / kg exclusief btw, inclusief transport.
Waterstof kan ook zelf worden opgewekt door middel van elektrolyse van
gedemineraliseerd water. Dit wordt verderop behandeld.
2.6.3 Tanken van waterstof
Ongeacht de bron van de waterstof is er behoefte aan het tanken van waterstof.
Stel er wordt gebruikt van de waterstof van Akzo Nobel in Delfzijl dan nog is er
behoefte aan andere tanklocaties om de volgende redenen:
• Het is erg beperkend om in Delfzijl te gaan tanken: dan zouden alle treinen
minimaal 1 maal per dag in Delfzijl moeten komen.
• Het van en naar de tankplaats rijden kost tijd en past niet in de keertijden in de
dienstregeling (de huidige keertijd bedraagt vijf minuten).
• Uitval van de spoorlijn naar Delfzijl zou het hele regionale net in de Noordelijke
provincies stilleggen.
Daarom is voorzien dat er tankplaatsen in de buurt van de opstelterreinen in
Groningen en Leeuwarden nodig zijn, om zowel alle treinen minimaal eenmaal per
dag in de buurt van een tankplaats te krijgen als redundantie in de tankinfrastructuur
te realiseren.
De tankplaats dient aan de volgende eisen te voldoen:
• Capaciteit van maximaal 10.000 kg waterstof per dag per tankplaats;
• Groningen circa 8.000 tot 10.000 kg
• Delfzijl circa 2.500 tot 5.000 kg
• Leeuwarden circa 1.000 tot 5.000 kg.
• NB. de capaciteit per tankplaats is afhankelijk van de volgende factoren:
• Het aantal te tanken treinen per dag (omlopen van vervoerder)
• Veiligheidscontour (maximale opslag)
• Afstand tot productielocatie (industrie / duurzame opwekking)
• In staat om een trein in 10 tot 20 minuten te tanken (180 kg waterstof).
De capaciteit van de tankplaats stelt ook eisen aan de voorraad waterstof. Een
minimale voorraad die overeenkomt met het verbruik van 1 dag lijkt minimaal vereist.
Uit [4] uit 2013 volgt dat de grotere (eigenlijk de grootste in het rapport) tankplaatsen
(vanaf 2016) gericht op wegvervoer met een capaciteit van 1500 kg/dag een
investering (capital cost) van ruim 5 miljoen dollar vragen.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
20
Dit is geëxtrapoleerd naar tankplaatsen in Groningen en Leeuwarden van
respectievelijk 8000 kg/dag en 2000 kg/dag (met investeringskosten van
respectievelijk zo’n 25 miljoen en 10 miljoen euro).
De tankplaats te Groningen wordt idealiter gesitueerd op het nieuw aan te leggen
opstelterrein in de sporendriehoek ten zuidoosten van de stad. Op onderstaande
luchtfoto is de ontwikkeling van het opstelterrein in het oranje geprojecteerd.
Daarnaast is de voorziene locatie van de tankplaat voor diesel aangegeven. Indien
dezelfde locatie wordt aangehouden voor het tanken van waterstof is hiervoor ter
indicatie een contour met een straal van 150 meter op geprojecteerd.
Een voordeel van deze locatie is de ligging buiten de stad naast een industrieterrein
en weilanden. Ondanks het ten zuiden van het opstelterrein geprojecteerde park biedt
dit voordelen voor de externe veiligheid en kansen om in de nabijheid duurzame
energie op te wekken.
Figuur 13: Mogelijke locatie tankplaat bij nieuwe opstelterrein Groningen
Te Leeuwarden ligt het bestaande opstelterrein dicht bij de stedelijke bebouwing.
Daarnaast rijden er vanaf Leeuwarden minder trein(dienst)en, mede hierom is het
voorstel om op deze locatie een kleinere tankplaats toe te passen. De straal van de
geprojecteerde contour is daardoor verkleind tot 100 meter rondom de bestaande
dieseltankplaat, alhoewel andere locaties ook mogelijk zijn. Ten zuidwesten van het
bestaande opstelterrein, naast de boog richting Heerenveen is het ook mogelijk om
een tankplaat te realiseren tussen een bedrijventerrein en voetbalvelden. Eventuele
aanvoer met tankwagens hoeft dan niet door een woonwijk naar de tankplaats te
rijden.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
21
Figuur 14: Mogelijke locatie tankplaat bij opstelterrein Leeuwarden
2.6.4 Opslag en transport van waterstof
Waterstof is een gas met een zeer lage dichtheid en om zowel de opslag als het
vervoer efficiënt te maken wordt het onder hoge druk opgeslagen (350 – 700 bar).
Daarnaast zijn de moleculen erg klein, waardoor het waterstof relatief snel naar buiten
ontsnapt. Kortom de opslag van waterstof vereist stevige en robuuste opslagtanks.
Om de waterstof op deze hoge druk te brengen is ook energie (arbeid) nodig.
Waterstof kan ook in vloeibare vorm worden opgeslagen of vervoerd. Daar is echter
een extreem lage temperatuur voor vereist van maximaal zo’n -240°C. Er kan dan wel
meer waterstof tegelijk worden vervoerd4. Zie ook Figuur 15.
Er zijn wel ontwikkelingen om de waterstof op een andere wijze op te slaan,
bijvoorbeeld als mierenzuur, methanol of natriumboorhydride. Deze ontwikkelingen
bevinden zich echter nog in de experimentele fase en zijn nog niet geschikt om op
grote schaal toe te passen5.
Bij de huidige tankstations voor wegvervoer vindt opslag gasvormig plaats bij drukken
van 450 bar (MP-buffer) en 900 bar (HP-buffer) in cilinders met een inhoud van
respectievelijk 1000 liter (1 m3) en 50 liter (0,05m
3). De dichtheid is dan, afhankelijk
van de druk, 20 tot 50 kg/m3. Om een opslag te realiseren van zeg 5000 kg is dan een
volume nodig van 100 tot 250 m3, bestaande uit cilinders met een vergelijkbare
inhoud als de huidige tankstations.
4 http://www.ttm.nl/nieuws/speciale-oplegger-voor-transport-waterstof/31645/
5 Dat de hoeveelheid waterstof waar het hier om gaat groot is, zal verderop blijken uit
het feit dat dit de volledige beschikbare productie in Delfzijl is en de capaciteit van de huidige tankstations.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
22
Figuur 15: Dichtheid van waterstof onder druk
Wanneer waterstof wordt ingekocht bij de industrie, of op een andere locatie wordt
opgewekt dan waar het wordt getankt, moet waterstof worden vervoerd. De meest
voor de hand liggende wijze van transport zou over het spoor zijn, echter er zijn (nog)
geen wagons geschikt (goedgekeurd) voor het vervoer van waterstof.
Uit de beschikbare gegevens volgt dat een tubetrailer ongeveer 400 kg waterstof
(voldoende voor het volledig vullen van ruim twee treinen) over de weg mee kan
nemen. Dat betekent dus dat er in totaal dagelijks tientallen transporten plaats moeten
vinden om de tankstations te bevoorraden.
De kosten van transport op deze wijze bedragen ongeveer € 2,-- per km (enkele reis).
Uitgaande van een gemiddelde afstand van 60 km (Delfzijl direct: 0km, Delfzijl –
Groningen: 50km en Delfzijl – Leeuwarden 110km, maar merendeel naar Groningen)
komt dit op een bedrag van € 0,60 per kg waterstof
2.6.5 Opwekking van waterstof (elektrolyse)
Indien men de waterstof wil produceren uit duurzame energie dan is er een
electrolyser nodig. Om aan de benodigde hoeveelheden waterstof te komen is er
electrolyser capaciteit nodig van circa 20 MW (voor een capaciteit van 8000kg per
dag).
Hiervoor zijn twee mogelijkheden; een alkaline electrolyser of een PEM electrolyser.
De prijzen voor een dergelijke installatie bedragen circa veertien respectievelijk twintig
miljoen euro. Om transportkosten uit te sparen is het mogelijk om de faciliteiten nabij
de tankplaatsen te lokaliseren, afhankelijk of dit past binnen de veiligheidscontouren
ter plaatse. In een optimalisatie zou dan ook de hoeveelheid opslag ter plaatse
gereduceerd kunnen worden.
In [1] wordt voor de waterstofproductie een benodigde hoeveelheid energie van
70 kWh/kg aangehouden (voor productie inclusief compressie). Dit betekent een
energiebehoefte van 241 GWh.
2.6.6 Windenergie
In deze paragraaf wordt toegelicht wat de kosten zijn van windmolens wanneer deze
worden gebruikt voor de opwekking van de energie voor de brandstofcellen.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
23
De kosten worden daarbij kort toegelicht om te onderbouwen waar de kosten op
gebaseerd zijn.
Uitgangspunten
De locatie voor een windmolenpark is belangrijk aangezien de opbrengsten sterk
kunnen fluctueren. Zo hebben windmolens op zee meer vollasturen, maar deze zijn
ook duurder om te plaatsen. In eerder onderzoek uitgevoerd door ECN blijkt dat
windmolens op zee nog steeds een factor 1,5 duurder zijn dan windmolens op land.
Hier wordt daarom uitgegaan van windmolens op land.
Ook op het land is er een verschil in het aantal vollasturen. Zo scheelt het bijna 1000
vollasturen tussen windmolens aan zee in vergelijking met windmolens die in
‘windarme’ gebieden worden geplaatst. Om dit te compenseren is in [5] de
winddifferentiatie naar gebiedsindeling geïntroduceerd met als doel om
overstimulering van windrijke gebieden te voorkomen. De Noordelijke provincies
liggen qua windsnelheid gunstig.
Er wordt ervan uitgegaan dat een windmolen 24506 vollasturen haalt per jaar. Er
wordt daarbij uitgegaan van windmolens van ongeveer 3MW per stuk. Met een
rotordiameter van 122 m (REpower 3.0 M122 onshore windturbine; 3,2MW). Volgens
de NEN-EN-IEC 61400 is het van belang dat de windmolens onderling vijf maal de
rotordiameter uit elkaar staan. Iedere windmolen van 3,2 MW neemt dus ongeveer
0,14 km2 ruimte in beslag. Merk wel op dat dit in een aanzienlijk gebied voor
‘horizonvervuiling’ zorgt. Windmolens van deze afmetingen zijn van grote afstand te
zien.
In de berekening wordt uitgegaan dat de financiering voor 100% uit de markt komt
met een marktrente van 5%. Door de SDE subsidieregeling en de volwassenheid van
windmolenparken zitten is dit een reële marktrente. Aangenomen wordt dat de
investering annuïtair wordt afgelost over de economische levensduur van een
windmolenpark. Er wordt een vergelijking gemaakt tussen een levensduur van 15 jaar
en 20 jaar.
Voor het transport van de gewonnen elektriciteit wordt de aanname gedaan dat
gebruik wordt gemaakt van het elektriciteitsnet. Hiervoor zijn jaarlijks kosten
verschuldigd. Deze kosten bedragen € 11,-- / kW (op basis van het geïnstalleerd
vermogen).
Kostenoverzicht
Getallen uit verschillende bronnen zijn niet altijd in lijn met elkaar. Voor de berekening
is uitgegaan van de gegevens uit [6] voor het vaststellen van de investeringskosten en
jaarlijkse vaste en variabele kosten bij het benodigde vermogen aan windenergie.
Tabel 4: Kosten windmolenpark – investeringskosten en beheer en onderhoudskosten
Parameter Eenheid Wind op land (SDE+ 2014)
Wind op land (SDE+ 2016)
Installatiegrootte [MW] 15 50
Investeringskosten [€/kWe] 1350 1290
Vaste O&M kosten [€/kWe/jr] 15,3 12,4
Variabele O&M kosten [€/kWh] 0,0148 0,0139
Subsidie
6 [17]; tabel 16; trede 3
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
24
De subsidieregeling voor windenergie is gedifferentieerd naar Gemeente7. Deze
differentiatie is gedaan om ook een stimulans te bieden voor de minder windrijke
gebieden.
Figuur 16: Windsnelheid per gemeente in Nederland
Aangenomen wordt dat de windmolens worden geplaatst in de oranje categorie (> 7,5
m/s en < 8,0 m/s). Het maximaal subsidiale vollasturen wordt hierbij bepaald a.d.h.v.
een windrapport. Als uitgangspunt wordt 2450 subsidiale uren aangenomen.
Figuur 17: SDE+ subsidieregeling voor windmolens in 2016
De subsidie komt hiermee op (0,076 – 0,038) € 0,038 / kWh met een maximum van
2450 vollasturen.
2.6.7 Zonnepanelenpark
Als alternatief voor een windmolenpark zijn zonnepanelen een mogelijke bron van
duurzame energie. Door de continue prijsdalingen die in de afgelopen jaren zijn
waargenomen [7] en de toegenomen efficiëntie van de panelen is het interessant om
te kijken naar de mogelijkheid om zonnepanelen toe te passen.
Uitgangspunten
7 http://www.rvo.nl/subsidies-regelingen/sde/wind/windsnelheid-gemeente
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
25
Voor zonnepanelen is de locatie ook van belang om het aantal vollasturen te bepalen.
In [7] is over de periode 2010-2013 gemonitord wat de potentiële opbrengst bedraagt
als functie van de locatie (zie figuur). ECN gaat in haar adviesrapportage in 2016 uit
van 950 vollasturen [6]. Voor de berekening wordt deze waarde ook overgenomen.
Figuur 18: Potentiële energieopbrengst van zonne-energie in Nederland.
Een windmolen van 3,2MW (geïnstalleerd vermogen) gebruikte een oppervlak van
0,14km2. Qua oppervlakte aan zonnepanelen is hier 0,026 km
2 voor benodigd. Ervan
uitgaande dat ieder paneel 5 maal het oppervlak nodig heeft aan ruimte (i.vm.
schaduwvorming) bedraagt het benodigd oppervlak 0,13km2. Dit is vergelijkbaar met
het grondgebruik van een windmolenpark voor eenzelfde geïnstalleerd vermogen.
Merk echter op dat de opbrengst van een windmolenpark hoger ligt doordat er meer
vollasturen zijn (2450 voor een windmolenpark versus 950 voor zonnepanelen). Een
windmolenpark is daarentegen van grote afstand te zien.
Voor zonnepanelen wordt gerekend met een technische levensduur van 25 jaar, maar
in de berekening wordt uitgegaan van een economische levensduur van 15 en 20
jaar. Hiermee rekening houdend met veroudering van PV panelen zal het rendement
ook reduceren van 95% naar 80% van de oorspronkelijke capaciteit na 25 jaar.
Op basis van diverse bronnen [5] [8] [6] en [7] zijn de investeringskosten voor een
zonnepanelenpark opgesteld. Hierbij is uitgegaan van een dakgebonden turn-key
systeem. Door de benodigde kwantiteit is een dakgebonden systeem niet de meest
voor-de-hand liggende keuze en wordt uitgegaan van een grondgebonden systeem.
In de berekening wordt uitgegaan dat de financiering voor 100% uit de markt komt
met een marktrente van 5%. Door de SDE subsidieregeling en de volwassenheid van
zonnepanelen is dit een reële marktrente. Aangenomen wordt dat de investering
annuïtair wordt afgelost over de economische levensduur van een windmolenpark. Er
wordt een vergelijking gemaakt tussen een levensduur van 15 jaar en 20 jaar.
Voor het transport van de gewonnen elektriciteit wordt de aanname gedaan dat
gebruik wordt gemaakt van het elektriciteitsnet. Hiervoor zijn kosten verschuldigd.
Deze kosten bedragen € 11 / kW.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
26
Kostenoverzicht
Getallen uit verschillende bronnen zijn niet altijd in lijn met elkaar. Voor de berekening
is uitgegaan van de gegevens uit [6]. De onderstaande tabel is gebruikt voor het
vaststellen van de investeringskosten en jaarlijkse vaste en variabele kosten bij het
benodigde vermogen aan zonnepanelen.
Tabel 5: Kosten zonnepanelen – investeringskosten en beheer en onderhoudskosten
Parameter Eenheid SDE+ 2014 SDE+ 2016
Installatiegrootte [MW] 0,1 0,1
Investeringskosten [€/kWe] 1030 1010
Vollasturen [uur/jaar] 1000 950
Vaste O&M kosten [€/kWe/jr] 17 17
Subsidie
Voor zonne-energie kan er subsidie verleend worden. Voor deze subsidieregeling is
het maximaal subsidiale vollasturen 950 uur. De subsidie wordt ingedeeld in 4 fases
(zie figuur).
Figuur 19: SDE+ subsidieregeling 2016
Uitgaande dat de aanvraag in fase 2 wordt gedaan bedraagt de subsidie (0,11 –
0,044) = € 0,066 / kWh subsidie met een maximum van 950 vollasturen over een
maximale looptijd van 15 jaar.
2.7 Veiligheid
De veiligheid van waterstof als energiebron in transportsystemen is veelvuldig
beschouwd en het onderwerp is al op vele internationale symposia aan de orde
geweest. In het boek van CRC Press: “Alternative Fuels for Transportation” uit 2010
[9], is bijvoorbeeld een hoofdstuk aan de veiligheid van waterstof gewijd en een
reguliere symposiumserie is de “International Hydrail Conference”8 [2] die komende
zomer in Birmingham plaatsvindt (11e bijeenkomst); de vorige (10e) was in 2015 in
Mooresville (USA). Veiligheid is op die congressen vanzelfsprekend één van de
issues.
Wegtransport is duidelijk intensiever onderzocht dan railtransport, maar mede met de
zoekterm ‘Hyrail’ en ‘Hydrail’ is een zeer groot aantal referenties te vinden.
8 International Hydrail Conference, zie op www.hydrail.org.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
27
Figuur 20: Illustratie Hydrail
2.7.1 Algemene informatie
Een aantal belangrijke projecten en platforms op het gebied van waterstof en
transport zijn:
EU-Project HyFacts: een door de EU gesponsord grootschalig project om leerstof
voor overheidsfunctionarissen op te stellen over de veiligheid van waterstof. De
verzamelde informatie is divers en zeer uitgebreid, zie o.a. op hyfacts.eu. Men kan
over vele onderwerpen nuttige documentatie vinden.
Verder ook: https://h2tools.org/lessons, bijvoorbeeld
https://h2tools.org/lessons/pressure-relief-device-fails-fueling-station. Zie tevens op:
http://cordis.europa.eu/result/rcn/149413_en.html
Een belangstellende kan bijvoorbeeld ook terugvallen op een specifiek tijdschrift: the
International Journal of Hydrogen Energy (Elsevier).
H2-Platform: een koepelorganisatie die zich specifiek en zeker ook actief richt op
waterstof als energiebron en aspecten als techniek, regelgeving en economie
coördineert, is het “Nationaal Waterstof Platform”, dat secretarieel is ondergebracht bij
Deltalinqs in de Rijnmond, zie op www.nationaalwaterstofplatform.nl.
Samengevat, om vertrouwd te raken met het onderwerp kan men zich via Internet en
achterliggende bronnen zeer goed inlezen. In Noord-Amerika is zelfs al een “National
Hydrogen and Fuel Cell Day” in het leven geroepen, niet toevallig op 8 oktober. De
datum 10-08 stemt numeriek overeen met het atoomgewicht van waterstof (1,008).
2.7.2 Praktijkontwikkelingen
In Birmingham9 is in universitaire kringen een waterstof-aangedreven locomotiefje
bedrijfsklaar gemaakt. Deze academische exercitie is interessant uit technologisch
opzicht, maar verder niet voor openbaar vervoer op grote schaal.
De eerste feitelijke railvoertuigen die waterstof als energiedrager hebben en in
exploitatie komen, zijn vorig jaar maart in China gelanceerd, namelijk trams van
Sifang (deel van China South Rail Corporation). Zij bouwen in licentie van Skoda uit
Tsjechië, het gaat om het tramtype 15T ForCity Alfa. In 2015 zijn vele
demonstratieritten uitgevoerd om potentiële kopers te interesseren. De productie-
eenheid staat in Qingdao. De tram kan ongeveer 100 km op een gevulde tank
afleggen; dat is daar gemiddeld drie heen- plus retourritten. Het tanken duurt 3
minuten, de topsnelheid is 70 km/uur. De tram bestaat op verzoek uit twee, drie, vier
of vijf segmenten, is geheel lage-vloers, heeft 60 zitplaatsen en 320 staanplaatsen bij
drie segmenten, is crashbestendig conform EN 15227 en kan een botsimpact aan van
100 MPa. De waterstoftank is extra sterk door een ontwerp uitgaande van
koolstofvezel. Er is ook een hoogwaardig waterstof-lekdetectie-systeem ingebouwd.
De inbouwpositie van de waterstoftank staat in de bestudeerde artikelen niet
omschreven.
9 http://phys.org/news/2013-11-hydrogen-regional-railways.html
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
28
Figuur 21: Tram van Sifang (China).
De Europese leverancier Alstom is in de praktijk ver gevorderd met de invulling van
het ontwerp-vraagstuk: in Duitsland zijn plannen al in uitvoering om van de bestaande
Coradia Lint-modellen (regiotreinen) naast de dieseltypen ook een waterstofvariant te
bouwen (zie ook 2.4.4). Hiertoe hebben ze in 2014 een contract met de firma
Hydrogenics gesloten (leverancier van de zogeheten HyPM® HD fuel cell), met de
intentie om 100 treinen met de waterstof brandstofcel te gaan bouwen in de komende
tien jaar.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
29
3 BEANTWOORDING ONDERZOEKSVRAGEN
3.1 Haalbaarheid
De hoofdvraag van het onderzoek betreft de haalbaarheid van de batterij-
waterstoftrein.
a. Op welke termijn is het rijden van treinen in een reguliere exploitatie op een
combinatie van batterijen en waterstof mogelijk? (vraag a uit de uitvraag)
Deze termijn is afhankelijk van de volgende zaken:
• (om)bouw van materieel
• Bouw van faciliteiten (tankstation en eventuele energieopwekking en omzetting)
• Toelating (papier, testen, proefbedrijf)
• Periode tot volledige levering en indienststelling van het materieel en faciliteiten
Kijkende naar de periode die bijvoorbeeld in Duitsland nu loopt dan is daar de
volgende tijdspanne van toepassing:
• Mei 2015: overeenkomst getekend; start ontwikkeling
• Eind 2016: 2 prototypes gereed
• 2016: start toelating en testen
• 2018: start bouw serietreinstellen
• 2022: serie van vijftig treinstellen in dienst
Het voordeel is dat op deze ontwikkeling kan worden meegelift, waardoor er vanaf
circa 2020 al treinstellen kunnen instromen en in 2022 – 2024 een volledige
exploitatie kan worden uitgevoerd. Hierbij is wel de aanname dat eventuele
problemen tijdens de ontwikkeling opgelost kunnen worden. Daarnaast committeert
dit pad zich aan één enkele leverancier.
Bij een succes of mogelijk al eerder bestaat de kans dat ook andere partijen dergelijke
treinen gaan aanbieden. In dat geval neemt de keuze toe, maar de vraag is of dat op
eenzelfde termijn is.
Ombouwen van bestaande treinstellen scheelt in de totale bouwtijd, maar vraagt om
de engineering van dit concept, waardoor een vergelijkbaar tijdpad voorzien is.
De faciliteiten vragen een relatief hogere capaciteit dan tot op heden gebruikelijk,
maar dat is op te lossen door de leveranciers. Daar er gebruik wordt gemaakt van
componenten die ook bij het wegtransport worden gebruikt, kent dit een kortere
doorlooptijd. Net als bij een eventuele eigen productie van duurzame energie kent dit
een kortere ontwikkelingstijd, maar komen daar de vergunningen bij.
Concluderend kan worden gesteld dat het mogelijk is om op de middellange termijn te
komen tot een exploitatie met de batterij-waterstoftrein. Hierbij moet worden
opgemerkt dat men dat vooraan in de cyclus zit en er zowel technische (veiligheid en
bedrijfszekerheid), financiële als politieke risico`s aan verbonden zijn.
3.2 Rijkarakteristieken
In deze studie is het uitgangspunt geweest dat een batterij-waterstoftrein vergelijkbare
eigenschappen zou moeten hebben als de huidige regionale treinen.
b. Zijn de rijkarakteristieken minimaal gelijkwaardig ten opzichte van de huidige
regionale treinen?
I. Heeft een batterij-waterstoftrein minimaal dezelfde optreksnelheid als de
huidige regionale treinen (beter, gelijk of slechter)?
II. Heeft een batterij-waterstoftrein minimaal dezelfde afremsnelheid als de
huidige regionale treinen (beter, gelijk of slechter)?
De batterij-waterstoftrein heeft een vergelijkbare rijkarakteristiek (optreksnelheid,
remsnelheid) ten opzichte van het huidige materieel.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
30
Om de dienstregeling te kunnen halen moeten de rijtijden vergelijkbaar zijn. Het
vermogen dat geleverd wordt tijdens de aanzet moet van eenzelfde omvang zijn.
De topsnelheid en de remming kunnen variëren afhankelijk van het concept van de
waterstoftrein. Indien de remenergie zoveel mogelijk wordt teruggewonnen kan het
zijn dat de maximale elektrodynamische remcapaciteit van de tractiemotoren of de
maximale laadstroom van de energieopslag wordt benut. Het remmen op de
remschijven waarbij de remenergie wordt omgezet in warmte moet voorkomen
worden en dat kan effecten hebben op de remcurve. Indien de tractiemotoren met een
bepaald maximaal vermogen kunnen remmen kan de remcurve meer gaan lijken op
de karakteristieken van de aanzet. Om de effecten op de rijtijd te mitigeren moet
hierbij de aanzet versneld worden en is er een hoger vermogen in de trein nodig. Het
hogere vermogen is zowel mogelijk met extra capaciteit van de brandstofcel of vanuit
de energieopslag, waarbij die laatste de voorkeur geniet vanwege het
energieverbruik.
III. Kan een batterij-waterstoftrein een snelheid halen van 140 km/uur of meer en
dit ook op langere trajecten volhouden?
Het rijden van hogere snelheden (140 kilometer per uur) is mogelijk en vol te houden
op lange trajecten, maar veroorzaakt een sterke toename van de ondervonden
weerstand en als zodanig op het verbruik. Een mogelijke keuze hierbij is om met een
lagere snelheid te gaan rijden; zoals bijvoorbeeld 100 of 120 kilometer per uur in
plaats van 140 kilometer per uur. Om de effecten op de rijtijd te mitigeren moet hierbij
eveneens het acceleratievermogen in de trein worden verhoogd. Een snelheid van
140 kilometer per uur wordt als bovengrens beschouwd.
IV. Welke afstand kan worden gereden op één tank vol met waterstof en
eenmaal ’s nachts opladen van de batterijen? Is deze afstand groter, gelijk of
kleiner dan de maximale afstand die nu per dag door een regionale trein
wordt afgelegd op een volle tank?
Uitgaande van een gemiddeld verbruik van 0,20 - 0,25 kg per kilometer en een ‘tank’
met ongeveer 180 kilogram waterstof, bedraagt de afstand die kan worden gereden
720 tot 900 km. De batterijen worden dan volledig opgeladen met energie afkomstig
van de brandstofcel.
Dit is kleiner dan de maximale afstand die een regionale trein op een dag aflegt. Dit
betekent dat de trein niet een hele dag op één volle tank waterstof kan rijden en een
aantal treinen tussendoor moet tanken10
.
Dit is overigens ook kleiner dan de afstand die een GTW 2/6 dieseltrein op een volle
tank kan rijden. Een volle tank diesel is ongeveer 1300 liter en hiermee kan naar
schatting 1300 km of meer worden gereden.
V. Gaat het toepassen van batterijen in combinatie met waterstof in vergelijking
met de huidige treinen ten koste van het aantal zitplaatsen, kan het aantal
zitplaatsen gelijk blijven of wordt er zelfs extra zitplaatsruimte gecreëerd?
Het uitgangspunt voor de GTW 2/6 is dat het aantal zitplaatsen niet verandert door de
ruimte die vrij komt in de aandrijvingsmodule door het verwijderen van de dieseltrein
wordt gebruikt om de brandstofcel en batterijen kwijt te kunnen. De brandstoftanks
zullen daarbij in ieder geval op het dak moeten worden geplaatst.
Ook bij het treinstel dat Alstom aan het ontwikkelen is blijft het aantal zitplaatsen
gelijk.
10 Niet alle treinen rijden evenveel kilometers. Een deel van de treinen zal meer rijden,
een deel zal minder rijden. Met een totaal verbruik aan waterstof van ruim 11 000 kg per doordeweekse dag en 71 treinen in exploitatie, wordt per doordeweekse dag gemiddeld bijna een volledige tankinhoud (155 kg ofwel 86%) per trein verbruikt.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
31
VI. Wat is het effect van het toepassen van batterijen in combinatie met waterstof
op de lengte, breedte of de hoogte van de trein in vergelijking met de huidige
treinen?
De afmetingen blijven ongeveer gelijk. De hoogte zou iets hoger kunnen worden, door
de brandstoftanks op het dak. Uitgangpunt is wel dat de trein hiermee binnen het PVR
blijft.
VII. Is een batterij-waterstoftrein in gewicht zwaarder, gelijk of lichter en hoeveel?
En welk effect heeft dit op de Gebruikersvergoeding van ProRail? Dit dient in
de exploitatiekosten meegenomen te worden
De verwachting is dat het gewicht vergelijkbaar of iets lichter is dan dat van de huidige
treinen. Hiermee blijft ook de Gebruikersvergoeding van ProRail vergelijkbaar met de
huidige Gebruikersvergoeding.
Opmerking: dit kan in de toekomst uiteraard veranderen als gebruik van groene
energie wordt gestimuleerd.
Opmerking: vergeleken met elektrificatie is er geen toeslag voor het gebruik van de
tractievoorzieningen verschuldigd is (die momenteel € 0,008 per kWh bedraagt).
c. Indien de rijkarakteristieken slechter zijn dan die van de huidige treinen welk effect
heeft dit op het aantal benodigde treinstellen bij een gelijkblijvende frequentie van de
treindiensten. Uitgaande van dienstregeling 2020 Programma Noord Nederland.
In deze studie is het uitgangspunt geweest dat een batterij-waterstoftrein vergelijkbare
eigenschappen zou moeten hebben als de huidige regionale treinen. Ook Alstom mikt
op vergelijkbare karakteristieken als de huidige treinen (aanzet vergelijkbaar met een
dieselelektrisch treinstel en geluidsemissie en remmen zoals een elektrisch treinstel).
3.3 Kosten
d. Wat zijn de investeringskosten van een batterij-waterstoftrein (eenmalig en
jaarlijkse afschrijvingskosten)? Wat zijn de beheer, onderhoud en vervangingskosten
van een batterij-waterstoftrein en is dit hoger, gelijk of lager dan de huidige regionale
treinen.
[Met getallen onderbouwen en houd daarbij ook rekening met het mogelijk vervangen
van de fuel cell en de batterij i.v.m. levensduur. Hierbij graag de kosten inzichtelijk
door alles in een eenmalig investeringsbedrag aan te geven en alles in een bedrag
per jaar aan te geven bij een afschrijving in 15 jaar en in een bedrag per jaar bij een
afschrijving in 20 jaar en bij een afschrijvingstermijn van de levensduur van een
dergelijke trein.]
De investeringskosten voor een batterij-waterstoftrein ten opzichte van de bestaande
regionale treinen wordt gevormd door de brandstofcel en de supercaps. De prijzen
van batterij-waterstoftreinen zijn nog niet bekend en voorlopig is Alstom de enige
leverancier. Daarom is hier gekeken naar de verwachte kosten voor de aanpassing
van de treinen.
Uitgaande van het voorzien van 75 treinen van het type GTW 2/6 (GTW 2/6 en GTW
2/8) van een brandstofcel met een vermogen van 500kW en 4 respectievelijk 6
supercaps modules (die ieder 95kW kunnen leveren gedurende 30s), bedragen de
investeringskosten per trein respectievelijk ongeveer 1,3 en 1,4 miljoen euro. Dit komt
voor 75 treinen (waarvan circa 2/3e GTW 2/8), gebaseerd op de bouwkosten met
opslagen, neer op een investering van ruim 102 miljoen euro.
Qua beheer en onderhoud is de inschatting dat de kosten vergelijkbaar zijn met die
voor een dieselmotor. De batterij-waterstoftrein bevat minder bewegende delen,
echter de technologie is complexer.
In de berekening wordt uitgegaan dat de financiering voor 100% uit de markt komt
met een marktrente van 5%. Aangenomen wordt dat de investering annuïtair wordt
afgelost over de gevraagde afschrijvingstermijnen.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
32
Echter, aangezien voor de verwachte levensduur van de componenten wordt
uitgegaan van 15 jaar zou afschrijven in 20 jaar te optimistisch zijn. Voor een
afschrijftermijn van 15 jaar wordt het bedrag per jaar 9,8 miljoen euro.
De vervangingstermijn van materieel en aanpassingen verschilt. Voor de levensduur
van het materieel kan worden uitgegaan van 25 jaar. Voor de componenten wordt
uitgegaan van een verwachte levensduur van 15 jaar. In het bestaande materieel zou
dit precies passen, bij nieuw materieel houdt dat een vervanging van brandstofcel en
supercaps in voor het einde van de levensduur is bereikt.
3.4 Omgeving
e. Is er bij een batterij-waterstoftrein sprake van Zero Emissie aan de uitlaat? Met
andere woorden wat is de uitstoot die deze trein nog produceert?
I. Wat zijn de milieu effecten van het rijden op batterij-waterstoftreinen ten
opzichte van de huidige dieselelektrische treinen?
Het enige product dat bij de ‘uitlaat’ van de batterij-waterstoftrein wordt geproduceerd
is waterdamp. Bij de batterij-waterstoftrein is er dus sprake van Zero Emissie (in de
zin van CO2, NOx, etc.) aan de uitlaat. Bij het rijden op diesel bestaat de emissie uit
verbrandingsgassen. Rijden op batterij-waterstoftreinen heeft dus een positief effect
op de emissies, aangezien deze tot 0 (nul) worden gereduceerd.
Merk echter op dat er bij de productie van waterstof mogelijk wel sprake is van
emissies, afhankelijk van de wijze van produceren. Een veel gebruikte manier om
waterstof te maken is namelijk uit koolwaterstoffen als aardgas (stoom reforming).
f. Wat zijn de geluidemissies in decibels van een batterij-waterstoftrein (zowel t.a.v. de
reiziger in de trein als ook voor de omgeving) zowel tijdens het rijden als in stilstand
op een station. Is dit beter, gelijk of slechter dan de huidige regionale treinen?
Ten opzichte van de bestaande dieselelektrische treinstellen neemt de geluidsemissie
sterk af doordat de brandstofcel met supercaps geen geluidsemissie kent. De
benodigde koeling kent een beperkte geluidemissie die te verwaarlozen is in
vergelijking met het omgevingsgeluid. Het geluidsprofiel is te vergelijken met dat van
een elektrisch treinstel. Geluid wordt geproduceerd door de tractiemotoren,
compressor, deuren en andere treingebonden installaties. Daarnaast zijn er de vaste
geluidsemissies die worden veroorzaakt door het wiel-rail contact en op hogere
snelheid door de luchtverplaatsing.
3.5 Hoeveelheden – Waterstof
g. Hoeveel waterstof (kg) is er in totaal per dag, per jaar en gemiddeld per kilometer
nodig om de dienstregeling uit te voeren?
Op basis van de berekeningen is per dag een waterstofhoeveelheid van ongeveer
11000 kg per dag nodig, wat neer komt op 3,5 miljoen kilogram per jaar. Het
gemiddeld gebruik is naar verwachtring 0,20 tot 0,25 kg per km.
Merk nogmaals op (zie ook 2.5) dat de berekeningen zijn gebaseerd op dienstregeling
2020 Programma Noord Nederland, waarin de gehele dag door met meerdere
gekoppelde treinstellen wordt gereden.
Ervan uitgaande dat de waterstof wordt opgewekt via elektrolyse;
I. Hoeveel elektrolyse apparatuur is nodig? Op hoeveel locaties (Groningen,
Fryslân en/of Niedersachsen). Wat zijn de totale kosten die nodig zijn voor de
spoorlijnen Leeuwarden – Groningen Europapark en Groningen en Bremen
en geëxtrapoleerd naar het totaal van de regionale treindiensten [deze kosten
graag in een totaal eenmalig investeringsbedrag en in een bedrag per jaar bij
afschrijving in 15 jaar, bij afschrijving in 20 jaar en afschrijving over de totale
levensduur van de apparatuur]
De kosten voor de elektrolyse apparatuur om 11000 kg per dag te maken bedragen
ongeveer 28 miljoen euro.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
33
Voor het eenmalig investeringsbedrag wordt 28 miljoen euro aangehouden. Deze
apparatuur zou in Groningen en Leeuwarden kunnen worden geplaatst nabij de
tankinstallaties (zie verderop). Beheer- en onderhoudskosten zijn niet bekend en niet
meegenomen.
Voor de lijnen Leeuwarden – Groningen Europapark en Groningen – Bremen zou dit
voor een hoeveelheid van 6300 kg per jaar een investering van ruim 16 miljoen
betekenen.
Tabel 6: Investeringskosten elektrolyse installatie voor waterstofopwekking
Parameter Eenheid Electrolyser
Investering [M€] 28
Marktrente [%] 5
Afschrijving 15 jaar (alleen investering) [M€/jaar] 2,7
Afschrijving 20 jaar
(alleen investering)
[M€/jaar] 2,3
II. Hoeveel tankinstallaties en ander infrastructuur zijn nodig op hoeveel
locaties? Wat zijn de totale kosten die nodig zijn voor de spoorlijnen
Leeuwarden – Groningen Europapark en Groningen en Bremen en
geëxtrapoleerd naar het totaal van de regionale treindiensten [deze kosten
graag in een totaal eenmalig investeringsbedrag en in een bedrag per jaar bij
afschrijving in 15 jaar, bij afschrijving in 20 jaar en bij afschrijving in de
levensduur van de infrastructuur.]
Er wordt uitgegaan van minimaal 2 tanklocatie nabij de opstelterreinen in Groningen
en Leeuwarden.
Voor de spoorlijnen Leeuwarden – Groningen Europapark en Groningen Bremen zou
de benodigde capaciteit zo’n 6300 kg per dag bedragen (van de 11000 kg per dag).
Voor het totaal aan regionale treindiensten zou de benodigde capaciteit per
tanklocatie zo’n 5000 kg per dag bedragen.
Uitgaande van [4] uit 2013 zijn de investeringskosten geëxtrapoleerd naar
tankplaatsen in Groningen en Leeuwarden. Hierbij is uitgegaan van een capaciteit van
respectievelijk 8000 kg/dag en 2000 kg/dag. De inschatting voor de (all-in)
bouwkosten voor de tankplaatsen in Groningen en Leeuwarden worden hiermee
respectievelijk zo’n 25 miljoen en 10 miljoen euro, resulterend in een
investeringsbedrag van 45,6 miljoen euro. Bij afschrijving in respectievelijk 15 en 20
jaar (annuïteit in de markt tegen 5%) levert dit een bedrag op van 4,4 miljoen euro en
3,7 miljoen euro per jaar.
Tabel 7: Investeringskosten tanklocaties
Parameter Eenheid Tanklocaties
Investering [M€] 45.6
Beheer en onderhoud [M€/jaar] 1.75
Marktrente [%] 5
Afschrijving 15 jaar (alleen investering) [M€/jaar] 4,4
Afschrijving 20 jaar (alleen investering) [M€/jaar] 3.7
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
34
III. Hoeveel stroom is nodig om middels elektrolyse de benodigde waterstof te
genereren?
De benodigde hoeveelheid energie om de waterstof op te wekken bedraagt ongeveer
70 kWh per kilogram waterstof (inclusief compressie van de waterstof naar een
hogere druk van 350 tot 700 bar). Hiermee komt de hoeveelheid stroom op 14 tot 17,5
kWh per kilometer (uitgaande van 0,20 tot 0,25 kg/km) en 770 MWh per
doordeweekse dag (uitgaande van 11000 kg waterstof) en iets meer dan 240 GWh
per jaar11
(uitgaande van 3,5 miljoen kg waterstof).
1. Wat zijn de energiekosten per dag, per jaar en per kilometer wanneer via het
huidige elektriciteitsnet groene energie wordt afgenomen?
De kosten voor afname van niet-groene energie door grootverbruikers bedraagt
(2014) ongeveer € 0,066 per kWh. De kosten voor afname van groene energie door
grootverbruikers bedraagt (2014) ongeveer € 0,092 per kWh (inclusief belasting).
(Bron ECN). De kostprijs van de opwekking met windenergie (zie vragen verderop)
bedraagt 6 tot 7 cent per kWh. Voor de berekening wordt hier daarom uitgegaan van
€ 0,076 per kWh.
Tabel 8: Benodigde energiehoeveelheid en energiekosten voor waterstofopwekking
Hoeveeheid waterstof (kg)
Energievraag Energiekosten (groen)
Per km 0,20 – 0,25 14 – 17,5 kWh 1,1 – 1,3 €
Per dag 11 000 770 MWh 58,5 k€
Per jaar 3,5 miljoen 240,9 GWh 18,3 M€
2. Wat is de te verwachten toekomstige ontwikkeling van deze kosten?
De ontwikkeling van deze kosten hangt af van verschillende zaken. In [10] wordt de
verwachting van de groothandelsprijs voor grijze energie gegeven. Er is te zien dat
deze relatief stabiel blijft op het niveau van € 0,06 per kWh. De verwachting is dat ook
de prijs voor groene energie relatief stabiel zal blijven (€ 0,076 per kWh).
Tot 2020 is er verder een overproductie van energie in Duitsland. Daarnaast is de
verwachting dat met het klimaatakkoord van Parijs duurzame (groene) energie verder
gestimuleerd gaat worden. Dit zou kunnen door subsidies, waardoor er steeds meer
groene energie beschikbaar komt.
In de studie voor de Provincie Overijssel wordt in 2010 nog € 0,20 per kWh
aangehouden, wat met de huidige energieprijzen aan de conservatieve (hoge) kant
lijkt. Hierdoor komen de inschattingen daar hoger uit.
11 Merk op dat het energieverbruik van NS (inkoop voor alle vervoerders) ongeveer
1,4 TWh bedraagt. Dit is echter de elektrische energie die de elektromotoren aandrijft. Bij de omzetting van elektriciteit naar waterstof en weer naar elektriciteit hoort een efficiëntie van typisch 30 tot 50% (brandstofcel rendement: 55%).
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
35
Figuur 22: Verwachte ontwikkeling van de energieprijs (grijze stroom) volgens [10]
(figuur 4.21 uit [10]).
3.6 Hoeveelheden – Batterijen
h. Wat is het volume van de benodigde batterijen om in combinatie met de waterstof
de dienstregeling uit te kunnen voeren? In totaal per dag; per jaar en gemiddeld per
kilometer?
Dit volume aan batterijen (supercaps) bij ombouw is 4 tot 6 supercaps per trein (zie
2.4.3), met een verwachte levensduur van 15 jaar. Alstom gebruikt een groot volume
accu’s om (nog) meer remenergie terug te kunnen winnen en minder waterstof te
verbruiken per km.
Hoeveel kWh is nodig per dag, per jaar en gemiddeld per kilometer vanuit het
elektriciteitsnet aan de batterijen?
i. Wat zijn de kosten van deze energie per dag, per jaar en gemiddeld per kilometer
wanneer via het huidige elektriciteitsnet groene energie wordt afgenomen?
ii. Hoeveel oplaadpunten voor het opladen van de batterijen zijn nodig? De kosten
graag in een eenmalige investering (uitgaande van een levensduur van 20 jaar
dus dat zou kunnen dat de batterijen een paar keer vervangen moeten worden)
en in een bedrag per jaar bij afschrijving in 15 jaar en in 20 jaar.
De batterijen worden geladen met elektriciteit afkomstig uit de brandstofcel, dus de
kosten zitten reeds verwerkt in de kosten van de waterstof en zijn niet apart aan te
geven. Er zijn dus ook geen aparte oplaadpunten benodigd.
3.7 Hoeveelheden – Energie
i. Indien de energie die in totaal nodig is, zoals bedoeld bij g.III en h opgeteld, zou
worden opgewekt door
Voor de totale energiebehoefte is uitgegaan van 240 GWh op jaarbasis.
A. Windmolens
i. Hoeveel windmolens zouden nodig zijn om de benodigde energie te leveren?
Op basis van de simulaties en extrapolatie is een totale hoeveelheid energie benodigd
van 240,9GWh. Uitgaande van 2450 vollasturen is er dan een geïnstalleerd vermogen
nodig van ruim 98 MW. Met een vermogen van 3,2 MW per windmolen betekent dit
dat er 31 windmolens nodig zijn om de benodigde hoeveelheid elektrische energie op
te wekken. Deze molens beslaan een oppervlak van minimaal 4,3 km2.
1. Wat zijn de kosten van deze windmolens qua investering en beheer &
onderhoud? Dit zowel in een eenmalig investeringsbedrag als in een bedrag
per jaar bij een afschrijving in 15 jaar en bij een afschrijving in 20 jaar.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
36
Qua kosten is gerekend met de gegevens uit SDE+ 2016 [6]. In de verdere
berekening zal worden uitgegaan van de getallen voor 2016. De investeringskosten
komen neer op een (eenmalige) investering van bijna 127 miljoen euro en de
jaarlijkse beheer en onderhoudskosten bedragen ongeveer 5 miljoen euro. Indien het
investeringsbedrag wordt afgeschreven in 15 jaar (annuïteit tegen een marktrente van
5%), bedraagt het jaarbedrag 12,3 M€ en bij afschrijving in 20 jaar 10,2 M€ per jaar.
Dit is weergegeven in onderstaande tabel. De subsidie bedraagt € 0.038 per kWh, wat
neerkomt op ruim 9,1 miljoen euro per jaar12
.
Tabel 9: Kosten windmolens om de benodigde energie te leveren
Parameter Eenheid Gebaseerd op SDE+ 2016
Energiebehoefte [GWh] 240.9
Vollasturen [u] 2450
Benodigd geinstalleerd
vermogen
[MW] 98.4
Aantal windmolens13
[-] 30.75
Investering [M€] 126.9
Beheer en onderhoud [M€/jaar] 4.6
Marktrente [%] 5
Afschrijving 15 jaar (alleen
investering)
[M€/jaar] 12.3
Afschrijving 20 jaar
(alleen investering)
[M€/jaar] 10.2
Subsidiebedrag [M€/jaar] 9.1
Kostprijs per kWh*
(afschrijving 15 jaar)
[€/kWh] 0.072
Kostprijs per kWh*
(afschrijving 20 jaar)
[€/kWh] 0.064
Subsidie per kWh [€/kWh] 0.038
* exclusief subsidie
B. Zonne-energie
i. Hoeveel zonnepanelen zouden nodig zijn om de benodigde energie te
leveren?
Op basis van de simulaties is een totale hoeveelheid energie benodigd van
240,9GWh. Uitgaande van 950 vollasturen is er dan een geïnstalleerd vermogen
nodig van bijna 254 MW. Uitgaande van een opbrengst van 0,123kW/m2 is hier een
oppervlak aan zonnepanelen (d.w.z. de panelen zelf) voor nodig van 2 km2. Het
benodigd grondoppervlak (5x zoveel om niet in de schaduw te raken) bedraagt dan
minimaal 10 km2.
12 De verwachte toekomstige ontwikkeling van de subsidiemogelijkheden is niet
onderzocht. 13
Uitgaande van een vermogen van 3.2MW per windmolen.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
37
1. Wat zijn de kosten van deze zonnepanelen qua investering en beheer &
onderhoud? Dit zowel in een eenmalig investeringsbedrag als in een
bedrag per jaar bij een afschrijving in 15 jaar en bij een afschrijving in 20
jaar.
Qua kosten is gerekend met de gegevens uit SDE+ 2016 [6]. De investeringskosten
komen neer op een (eenmalige) investering van ruim 256 miljoen euro en de jaarlijkse
beheer en onderhoudskosten bedragen ongeveer 4,4 miljoen euro. Indien het
investeringsbedrag wordt afgeschreven in 15 jaar (annuïteit tegen een marktrente van
5%), bedraagt het jaarbedrag 24,7 M€ en bij afschrijving in 20 jaar 20,6 M€ per jaar.
Dit is weergegeven in onderstaande tabel. De subsidie bedraagt € 0.066 per kWh, wat
neerkomt op ruim 15,9 miljoen euro per jaar14
.
Tabel 10: Kosten zonnepanelen om de benodigde energie te leveren
Parameter Eenheid Gebaseerd op SDE+ 2016
Energiebehoefte [GWh] 240.9
Vollasturen [u] 950
Benodigd geïnstalleerd
vermogen
[MW] 253.6
Oppervlakte zonnepanelen [km2] 2.1
Oppervlakte grondgebruik [km2] 10.4
Investering [M€] 256.2
Beheer en onderhoud [M€/jaar] 4.4
Marktrente [%] 5
Afschrijving 15 jaar (alleen
investering)
[M€/jaar] 24.7
Afschrijving 20 jaar
(alleen investering)
[M€/jaar] 20.6
Subsidiebedrag [M€/jaar] 15.9
Kostprijs per kWh*
(afschrijving 15 jaar)
[€/kWh] 0.120
Kostprijs per kWh*
(afschrijving 20 jaar)
[€/kWh] 0.103
Subsidie per kWh [€/kWh] 0.066
* exclusief subsidie
C. Aansluiting elektriciteitsnet
1. Welke investeringen zijn er noodzakelijk om de onder A) en B) aan te
sluiten op het openbare elektriciteitsnet?
De aansluitkosten bedragen €11 per kW per jaar. Het geïnstalleerd vermogen aan
windmolens bedraagt 98 MW en daarmee worden de aansluitkosten iets minder dan
1,1 miljoen euro per jaar.
14 De verwachte toekomstige ontwikkeling van de subsidiemogelijkheden is niet
onderzocht.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
38
Het geïnstalleerd vermogen aan zonnepanelen bedraagt 254 MW en daarmee
worden de aansluitkosten bijna 2,8 miljoen euro per jaar. Deze bedragen zaten reeds
verwerkt in de bovengenoemde investeringskosten van beide oplossingen.
D. lndustrie
i. Wat zijn de kosten indien de waterstof als restproduct van de industrie (bijvoorbeeld
Akzo) kan worden gebruikt. Rekening houdend met in dat geval benodigde
tankinfrastructuur en het eventueel vervoeren van de waterstof naar de goede locaties
om de treinen te tanken (tubetrailers?; waarschijnlijk zullen niet alle treinen in verband
met omlopen in Delfzijl getankt kunnen worden])
Zoals ook eerder aangegeven is waterstof een bijproduct van de chloorproductie,
onder andere bij Akzo Nobel in Delfzijl. De maximaal beschikbare waterstof bij Akzo in
Delfzijl komt ongeveer overeen met de benodigde hoeveelheid die hiervoor is
genoemd. In [1] wordt een inkoopprijs van € 0 tot € 3.80 per kilogram genoemd. Nihil
is echter niet realistisch, dus bij de genoemde afname wordt uitgegaan van een
inkoopprijs van € 2,= per kg. Hierbij komen nog kosten voor het comprimeren,
transport en tanken van de waterstof.
De inschatting is dat de kosten van waterstof van deze bron (exclusief tanken,
inclusief transport en comprimeren) ongeveer € 5,= kunnen gaan bedragen. Hiervan
wordt ook uit gegaan in de berekeningen. Dit komt overeen met de prijs die ECN op
de langere termijn aanhoudt in diverse presentaties [2] [3].
De kosten voor het tanken zijn ook bij het zelf opwekken van de energie nodig en zijn
elders beschouwd.
Gezien de relatief hoge kosten voor transport over grotere afstanden is er wel een
risico als Akzo Nobel stopt met de productie. Dan moet een andere leverancier
worden gevonden, wat kan leiden tot hogere kosten. Ontvangen informatie gaat dan
uit van waterstof uit de industriële sector met klasse 5.0 voor € 7.90 / kg excl. BTW
incl. transport.
3.8 Veiligheid
a. Zijn batterij-waterstoftreinen veilig voor de reiziger en het treinpersoneel? Hoe
wordt de veiligheid geborgd?
c. Zijn batterij-waterstoftreinen veilig voor de omgeving? Hoe wordt de veiligheid
geborgd?
Vraag ‘a’ staat uiteraard bovenaan bij het beoordelen van de veiligheidsaspecten van
waterstoftreinen, maar is te algemeen gesteld om direct te kunnen beantwoorden. De
bewering dat een bepaald type trein ‘veilig’ is, kan nooit zonder meer worden gedaan.
Het is een gegeven dat treinen betrokken kunnen raken in incidenten, ook in
zwaardere ongevallen. Het letterlijke antwoord op de vraag kan daarom geen ‘ja’ zijn.
Uiteraard is de interpretatie van de vraag een nuance: krijgt de reiziger of het
treinpersoneel er onveiligheid bij? En: is de aanwezigheid van waterstof verantwoord,
gezien de nabijheid van reizigers en personeel?
Het antwoord op deze vragen valt of staat met de gekozen constructie van de
installaties, in combinatie met de plaats waar deze wordt ingebouwd en het volume
van de tank (de zogeheten waterinhoud). Hoofdkeuzes zijn daarbij:
• In- of uitwendige installaties (van hoofdtank, leiding(en) en brandstofcel/batterij)
• Type, constructie en materiaal van de installaties.
• Hoeveelheid waterstof aan boord.
• Veiligheidsvoorzieningen en –regels.
Omdat het – mondiaal zowel als regionaal/nationaal – een techniek-in-ontwikkeling is,
is er nog onvoldoende standaardisering op dit vlak en kan hooguit bij afzonderlijke
leveranciers worden geïnformeerd, tot welke keuzes men komt bij het
tegemoetkomen aan eisen en wensen van zowel veiligheid als andere factoren (zoals
geluid, rijprestatie, comfort, ruimtelijke indeling, inbouw toiletten, aantal deuren enz.).
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
39
Om vervolgens een oordeel te kunnen geven over de veiligheid is het nodig om
scenario’s te kiezen die tot het vrijkomen van de waterstof kunnen leiden. Immers,
zolang de waterstof binnen de installatie blijft (tank, leiding(en), brandstofcel) gaat het
om een latent gevaar, en niet om een daadwerkelijk effect of nadeel.
De volgende scenario’s zijn fictief, maar wel voorstelbaar of in een gedachte-
experiment te beschouwen:
• Grote beschadiging waterstoftank door een zware fysieke impact (denk aan
aanrijding/botsing, ontsporing, instorting/val van zwaar extern object e.d.)
• Bedreiging waterstoftank door een brand in of vlak naast de trein
• (Te) langdurige blootstelling aan hitte, trilling of andere invloed van een nabij,
ander voertuigonderdeel
• Kleine lekkage vanuit het waterstofsysteem
• Bedieningsfout, ergens in het raakvlak trein <->brandstofsysteem
• Constructiefout of materiaal-falen
• Vrijkomen waterstof bij het tankproces
Ieder scenario heeft een eigen karakter, en de kans op, of het gevolg van het scenario
is afhankelijk van diverse factoren. Bijvoorbeeld, wanneer de waterstoftank uitwendig,
op het dak is bevestigd (hetgeen niet uitgesloten is, denk ook aan bestaande
voorbeelden in de bus-sector, ook al zit er nog een dakbeplating bovenop).
Het spreekt voor zich, dat plaatsing op het dak voordelen biedt bij aanrijdingen (van
welke zijde dan ook), maar ongunstig is wanneer een zwaar object op de tanks valt.
Of, wanneer het tankproces wordt beschouwd, maakt het nogal uit of dit altijd bij lege
treinen geschiedt, of ook bij treinen met reizigers. Tenslotte, minieme lekkages zijn
eerder regel dan uitzondering. Waterstofgas is moeilijk hermetisch af te sluiten, dat
vergt bovenmatige precisie en apparatuur/appendages.
Bij de bekende ontwikkelingen in tram- en treinvoertuigen waarin men waterstoftanks
wil installeren of al definitief ontworpen heeft, is een ruime verscheidenheid te vinden.
We geven twee voorbeelden:
Figuur 23: Tram in Spanje (Asturië)
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
40
Figuur 24: Trein in Japan (East Japan Railway co.)
Voor zover bekend heeft Alstom bij het herontwerpen van de Coradia Lint (waar de
dieseltanks bovenin de constructie zitten) de bedoeling om de waterstoftanks op een
vergelijkbare positie te houden.
De variatie in inbouwposities is vooralsnog aanwezig en niet afgebakend in wet- en
regelgeving. Dat is een belangrijke waarneming. Het komt in dit verband te pas om
een onderzoeksrapport van de Onderzoeksraad voor Veiligheid (OvV) [11] te bekijken
en te citeren:
Bij de introductie van alternatieve motorbrandstoffen moet goed worden
geïnventariseerd in hoeverre er specifieke veiligheidsrisico’s aan verbonden zijn, niet
alleen voor de inzittenden en de andere weggebruikers, maar ook voor de omgeving.
Die omgevingsrisico’s kunnen bijvoorbeeld betrekking hebben op grote steekvlammen
bij een busbrand, die in het geval van waterstof bovendien onzichtbaar zijn. Het is
primair zaak dat de beheersing van die risico’s door adequate voertuigvoorschriften
dwingend wordt voorgeschreven. Verder dienen zowel de fabrikanten als de
exploitanten van dergelijke voertuigen – meer dan nu het geval is geweest – te
beseffen dat er inherente risico’s verbonden zijn aan het feit dat het om een innovatie
gaat. Zij mogen zich niet zonder meer op de voertuigvoorschriften verlaten, maar
moeten op grond van een eigen kritische afweging zo nodig aanvullende maatregelen
treffen. Ook moeten de betrokken overheden kritisch beoordelen in welke situaties
c.q. onder welke voorwaarden de nieuwe technologie met het oog op de resterende
omgevingsrisico’s verantwoord kan worden ingezet.
Ze verwijzen en passant ook naar (EU) No 406/2010, implementing Regulation (EC)
No 79/2009 of the European Parliament and of the Council on type-approval of
hydrogen-powered motor vehicles.
Deze zijstap brengt ons bij een ander hoofdpunt van de veiligheid: hoe beschermen
we het waterstofsysteem zo perfect mogelijk tegen brand (in of naast een
reizigerstrein). Een brand die begint bij een krantje of een omgevallen flesje spiritus
kan escaleren en uiteindelijk de waterstofinstallatie aantasten en bedreigen. Het is
goed om daarover nagedacht te hebben.
De Brandweer van Amsterdam-Amstelland heeft zich reeds zeer intensief in mogelijke
waterstofincidenten verdiept en er een ter zake kundige Handreiking [12] over
gemaakt. Deze is zeer informatief, maar ook dusdanig recht-toe-recht-aan dat men
inzage krijgt in de omvang die een noodlottig ongeval kan opleveren. We geven hier
enkele van de tabellen weer om de aard en omvang van een kleine of grote
waterstoflekkage te schetsen:
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
41
Tabel 11: Effectafstanden waterstofincidenten uit [12]
Druk
H2
Lengte fakkel (meter)
Hittestraling 35 kW/m2
(in meter) [letaal effect]
Hittestraling 3 kW/m2
(in meter)
Bar Gatgrootte
10 mm Gatgrootte
100 mm Gatgrootte 10 mm
Gatgrootte 100 mm
Gatgrootte 10 mm
Gatgrootte 100 mm
100 7 56 8 63 13 95
200 10,5 85 11 95 19 137
300 13,5 105 14 121 25 170
400 14,5 125 16 140 29 200
500 17,5 145 19 158 34 216
600 19,5 160 21 175 37 240
700 21,5 170 23 190 39 260
De Handreiking geeft ook waarden voor een BLEVE-scenario (ontploffing van het
gas). Ter illustratie, bij een tank van 200 kg H2 is de berekende diameter van de
vuurbal 33 meter, en de hittestraling van 35 kW/m2 op 85 meter.
Een ander belangrijk naslagwerk, weliswaar primair voor wegverkeer, is opgesteld
door KIWA [13].
De kernvraag, namelijk of waterstoftreinen veilig zijn voor reiziger, treinpersoneel en
omgeving is alleen te beantwoorden, wanneer een ontwerp wordt gemaakt dat
voldoet aan een groot aantal voorwaarden en dat door onafhankelijke specialisten op
professionele en uitgebreide wijze is beoordeeld en akkoord bevonden. Bij een tekort
aan veiligheidsrelevante afwegingen en dito maatregelen bij het ontwerpproces en bij
de realisatie is in de exploitatiefase een risico op incidenten aanwezig en is een
dergelijke trein dus niet inherent veilig voor reiziger, treinpersoneel en omgeving. Op
dit moment ontbreekt (in Europa) de garantie dat een objectief, breed geaccepteerd
treinontwerp met waterstofinstallaties ‘veilig’ is - of wordt - bevonden.
Het grote verschil met de huidige dieseltreinen zit vooral in de veiligheidscontouren bij
een incident, zoals het bezwijken van de brandstoftank, die bij diesel als brandstof
kleiner zijn (en daar is uiteraard bij het ontwerp van de waterstoftanks op ingespeeld
qua robuustheid). Een belangrijke stap naar een objectief, breed geaccepteerd
treinontwerp met waterstofinstallaties dat ‘veilig’ is – of wordt – bevonden is in overleg
treden met de toelatende instanties als ILT en andere stakeholders.
d. Welke stappen zijn nodig om de treinen ook bij/door ILT toegelaten te krijgen op het
spoor in Noord Nederland?
Dit is één van de meest cruciale thema’s. Niet in het minst omdat de ILT in het ‘Fyra-
dossier’ en de bijbehorende parlementaire enquête zelf onderwerp van inspectie en
doorlichting is geweest, met serieuze consequenties voor toelatingsprocessen. Het is
geen geheim dat toelatingsprocessen voor nieuwe treintypen of –systemen in de
komende jaren zorgvuldig, streng en uitgebreid zullen zijn. Het is voorzienbaar dat dit
aan de orde is. Vermoedelijk is de in-house kennis bij ILT over waterstoftreinen op dit
moment niet heel groot. Het is aannemelijk dat zij onder meer de expertise bij RDW
(wegvervoer) zullen inschakelen en dat zij in Duitsland met de evenknie op
spoorgebied (de EBA) volop in overleg gaan over de bevindingen aldaar.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
42
De stappen die nodig zijn:
• In een vroeg stadium bij ILT aankondigen dat de intentie bestaat om dergelijke
treinen te laten rijden in Noord Nederland. Daarbij zoveel mogelijk zinvolle
referenties aangeven, bijvoorbeeld over Alstom en/of Stadler.
• Aan ILT vragen, welke stappen in welke volgorde worden verlangd. Het is goed
om dit zelf enigszins voor te bereiden en de meest essentiële
documenten/regelingen te screenen, waaronder de Europese TSI’s voor materieel
(Rolling stock) en voor veiligheid (o.a. CSM-REA).
• Uitvoeren van de door ILT gevraagde stappen.
Twee adviezen onzerzijds zijn de volgende:
• Geef steeds alle informatie die er toe doet, ook vertrouwelijke informatie en ook
ongunstige informatie.
• Vraag actief inzage in de lopende ontwikkelingen in Duitsland. Als de EBA
overtuigd is of zal zijn over de veiligheidsaspecten van de in Duitsland gekozen
waterstofsystemen en hun posities in het voertuig (denk aan de Alstom Coradia
Lint), dan is de route bij ILT aanzienlijk korter te houden. Het oordeel van de EBA
zal zwaar wegen.
e. Hoe veilig is het tanken van waterstof door personeel van de vervoerder? Hoe kan
de veiligheid worden geborgd?
f. Hoe veilig is de waterstoftankinstallatie voor de omgeving? Hoe kan de veiligheid
worden geborgd?
i. Waar aan het spoor kan bijvoorbeeld getankt worden?
1. Kan op de emplacementen in Leeuwarden en Groningen worden getankt?
Een werkgroep van deskundigen van overheden en bedrijfsleven heeft de
Nederlandse praktijkrichtlijn voor waterstoftankstations (NPR 8099 [14] [5])
samengesteld. Deze norm is bedoeld voor installatiebedrijven die
waterstoftankstations bouwen en Wabo-vergunningverleners een
omgevingsvergunning gaan verlenen voor een waterstoftankstation.
Figuur 25: Waterstoftankzuil
In deze fase van de Groningse waterstoftrein-plannen zijn er nog geen
waterstoftankstations (voor wegvervoer) in de Provincie aanwezig. Een ondernemer
die hier wel voor aan de weg timmert is Stefan Holthausen in Hoogezand; hij heeft
bekendgemaakt om in Groningen een geschikte locatie te zoeken voor zijn ambities
die zijn neergelegd in het ‘Holthausen NRG Point’. Hoewel de ontwikkeling binnen
Nederland voor tankstations waar waterstof kan worden getankt (voor het
wegverkeer) nog in een pril stadium verkeert, is er inmiddels een openbaar
tankstation gerealiseerd door Air Liquide, in Rhoon bij Rotterdam.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
43
Voor deze locatie is gekozen omdat het vlakbij de bestaande waterstofpijpleiding
Antwerpen-Rotterdam ligt. Die leiding loopt een paar honderd meter van het
waterstof-station. Het vulpunt ligt aan de Groene Kruisweg, een belangrijke
doorgaande weg in het gebied. Bovendien is het station hemelsbreed enkele
honderden meters verwijderd van snelweg A15. De gebruikers van het station in
Rhoon, ten zuiden van Rotterdam, moeten betalen met een soort tankpas bij de
betaalzuil van Tokheim. Het vulpistool wordt vervolgens vrijgegeven. De autorijder
stopt het in de tank van de auto, waarna eerst een zogeheten ’lektest’ plaatsvindt.
Daarbij kijkt het systeem of er een gesloten verbinding is tussen de nozzle en het
voertuig. Zo niet, dan kan er om veiligheidsredenen niet getankt worden.
Figuur 26: Impressie van waterstoftankstation in Rhoon bij Rotterdam
Tebodin heeft in 2013 een risicoanalyse [15] uitgevoerd voor het tankstation. In het
beschrijvende deel staat onder meer “De ontstekingsenergie van waterstof is
bijzonder laag (hoog reactieve stof). Dit betekent dat het waarschijnlijk is dat waterstof
ontsteekt zodra dit vrijkomt. In de berekening is er derhalve uitgegaan van directe
ontsteking. De maximale effectafstanden worden daardoor al bereikt voordat de
doorstroombegrenzer ingrijpt. Voor het berekenen van het risico van de inrichting
heeft de doorstroombegrenzing dan ook geen positieve gevolgen. Daarom wordt de
doorstroombegrenzer niet opgenomen in de QRA”.
De voorraadtanks in dit tankstation zijn tweeledig: MP voor bussen, HP voor
personenauto’s.
De MP-buffer (450 bar; omgevingstemperatuur) heeft twee cilinders, elk met
waterstofinhoud 1000 liter, de HP-buffer heeft 16 cilinders, elk van 50 liter
waterstofinhoud: gezamenlijk 2000 + 800 liter = 2800 liter. De QRA-berekening met
SAFETI-NL (BEVI/REVI-wetgeving) levert een 10-6 contour op van ca. 28 meter en
een 10-7 contour van ca. 125 meter. Het GR blijft op de gekozen plek (buiten de
bebouwde kom) op hooguit 0,1 x OW (geen probleem). Dergelijke risicowaarden
maken het in de praktijk niet moeilijk om elders ook vergelijkbare installaties te
kunnen plaatsen.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
44
Het station in Rhoon is niet echt het eerste waterstoftankstation in Nederland. Naast
private stations voor enkele busbedrijven (o.a. GVB in Amsterdam) is er op de
Oldebarneveldstraat in Arnhem gedurende twee jaar een H2-tankstation in bedrijf
geweest, als een soort pilot.
Een tweede openbaar tankstation staat in Helmond (Auto-campus) en in een ver
gevorderde staat van realisatie zijn onder meer initiatieven in Arnhem, Breda en Den
Haag.
In het opbouwen van kennis, het opstellen van specifieke regelgeving en
brancherichtlijnen (denk aan NPR 8099 [14] en PGS-35 [16]) is een zodanige grote
stap gezet dat het bouwen van private en publieke waterstoftankinstallaties de fase
van experimenteren en pionieren voorbij is. Risico’s in technische zin zijn al
geminimaliseerd. Het punt van instructies aan personeel, procedures enzovoort, moet
dan worden geborgd in het Veiligheidsmanagementsysteem van de vervoerder(s).
Of er op Leeuwarden en Groningen kan worden getankt, is nu te vroeg om te
beantwoorden. Op deze locaties kan momenteel wel diesel getankt worden en daar is
de omgevingsvergunning voor verleend en ingericht. Bij de aanleg van een
waterstoftankinstallatie is een herziene vergunning beslist noodzakelijk. Zie verder bij
onderstaande vraag g.
g. Welke vergunningen zijn noodzakelijk om een waterstoftankinstallatie te kunnen
bouwen en te opereren? Wat zijn de doorlooptijden van het vergunningentraject?
Vallen de waterstoftanks van de batterij-waterstoftrein onder de regelgeving van “het
transport gevaarlijke stoffen”?
De vergunningen die voorop staan zijn omgevingsvergunningen. Voor spoorterreinen
(emplacementen, rangeerterreinen) is een overall-vergunning gebruikelijk, waarin een
installatie met milieu- of veiligheidsrelevantie een plek krijgt in de beschrijving en
afspraken. De organisatie die vergunningen aanvraagt en beheert is ProRail. Het
bouwen van een installatie op een plaats die niet tot het grondgebied van ProRail
hoort is niet zo logisch, omdat een trein er dan niet rechtstreeks kan tanken.
Naast een omgevingsvergunning is voor het bouwen onder meer een
bouwvergunning nodig, en zullen aspecten als brandveiligheid de aandacht van de
Veiligheidsregio trekken en tot overleg leiden.
De regelgeving voor het spoorvervoer van gevaarlijke stoffen (het internationale RID,
in Nederland rechtstreeks geïmplementeerd in het VSG) is niet van toepassing op de
energiebron, in dit geval de batterijen en tanks, van reizigerstreinen. Waterstof is op
zich als stof in het RID opgenomen (UN-nummer 1049, GEVI-code 23), maar wordt in
het nationale spoorvervoer nooit in bulk vervoerd. Ketelwagens en tankcontainers met
waterstof zijn geen praktijk. Het kan sporadisch voorkomen dat een kleine cilinder met
gecomprimeerd waterstofgas voor een chemisch laboratorium per spoor wordt
vervoerd, maar verder is het geen usance.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
45
4 TOTALE INVESTERINGSKOSTEN
4.1 Inleiding
In het voorgaande zijn alle kosten op een rijtje gezet. Voor de volledigheid worden alle
componenten hier nog eens herhaald en samengevoegd. Steeds is uitgegaan van
een marktrente van 5%. Er is geen inflatie meegenomen, maar ook geen prijsdalingen
en -stijgingen.
4.2 Kosten
4.2.1 Algemene kosten
Algemene kosten zijn kosten die voor alle varianten van toepassing zijn.
4.2.1.1 Materieel
De kosten voor ombouw van het materieel zijn:
Tabel 12: Investeringskosten ombouw materieel
Ombouw materieel (totaal 75x) Eenheid Bedrag
Investering [M€] 102,1
Afschrijving 15 jaar (alleen investering) [M€/jaar] 9,8
Afschrijving 20 jaar
(alleen investering)
[M€/jaar] n.v.t.
Zoals bij de beantwoording van de vragen beschreven: Qua beheer en onderhoud is
de inschatting dat de kosten vergelijkbaar zijn met die voor een dieselmotor. Deze
kosten zijn niet meegenomen in bovenstaande bedragen.
4.2.1.2 Tankvoorzieningen
De kosten voor de aanleg van de tankvoorzieningen zijn:
Tabel 13: Investeringskosten tankvoorzieningen
Tankvoorzieningen (totaal 2x) Eenheid Bedrag
Investering [M€] 45,6
Beheer en onderhoud [M€/jaar] 1,75
Afschrijving 15 jaar (alleen investering) [M€/jaar] 4,4
Afschrijving 20 jaar
(alleen investering)
[M€/jaar] 3,7
4.2.1.3 Samenvatting algemene kosten
Tabel 14: Investeringskosten materieel en tankvoorzieningen
Materieel en tankvoorzieningen Eenheid Bedrag
Investering [M€] 147,7
Beheer en onderhoud [M€/jaar] 1,75
Afschrijving 15 jaar (alleen investering) [M€/jaar] 14,3
Afschrijving 20 jaar [M€/jaar] n.v.t.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
46
(alleen investering)
4.2.2 Inkoop waterstof
De kosten voor inkoop van waterstof bedragen naar verwachting € 5,= per kg inclusief
transport. Dit komt jaarlijks neer op:
Tabel 15: Kosten waterstofverbruik per jaar
Waterstof Eenheid Bedrag
Jaarverbruik [M€/jaar] 17.2
4.2.3 Elektrolyse van waterstof
4.2.3.1 Elektrolyse installatie
Voor alle volgende manieren van opwekken is een elektrolyse installatie benodigd.
Tabel 16: Kosten elektrolyse installatie
Elektrolyse installatie Eenheid Bedrag
Investering [M€] 28
Afschrijving 15 jaar (alleen investering) [M€/jaar] 2,7
Afschrijving 20 jaar
(alleen investering)
[M€/jaar] 2,3
Beheer- en onderhoudskosten zijn niet bekend en niet meegenomen.
4.2.3.2 Opwekken energie met groene energie, wind en zon
De tabellen van het gebruik van groene energie en het opwekken van duurzame
energie met wind en zon is gecombineerd in onderstaande tabel.
Tabel 17: Kosten energie
Energie Eenheid Groene energie*
Wind Zon
Investering [M€] - 126.9 256.2
Beheer en
onderhoud
[M€/jaar] -
4.6 4.4
Jaarverbruik [M€/jaar] 18.3 - -
Afschrijving 15 jaar
(alleen investering)
[M€/jaar] -
12.3 24.7
Afschrijving 20 jaar
(alleen investering)
[M€/jaar] -
10.2 20.6
Subsidiebedrag [M€/jaar] - 9.1 15.9
* Gebaseerd op € 0,076 per kWh
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
47
4.3 Samenvatting kosten regionale lijnen
4.3.1 Kosten materieel en tankvoorzieningen
Door de voorgaande tabellen samen te voegen volgt het overzicht.
Eenmalig investeren met energiekosten (investering) niet in de
exploitatiekosten (wel beheer en onderhoud):
Alleen geldig zolang de eenmalige investering niet vervangen hoeft te worden.
Tabel 18: Materieel en tankvoorzieningen – eenmalig investeren
Materieel en tankvoorzieningen Eenheid Bedrag
Investering [M€] 147,7
Jaarlijkse exploitatiekosten [M€/jaar] 1,75
Kosten voor energie (investering + beheer en onderhoud) verwerkt in de
exploitatiekosten:
Alleen geldig zolang de eenmalige investering niet vervangen hoeft te worden.
Tabel 19: Materieel en tankvoorzieningen – alles in een jaarlijks bedrag
Materieel en tankvoorzieningen Eenheid Bedrag
Jaarlijkse exploitatiekosten (15 jaar) [M€/jaar] 16,1
4.3.2 Kosten waterstof (inkoop en elektrolyse)
Door de voorgaande tabellen samen te voegen volgt het overzicht.
Eenmalig investeren met energiekosten (investering) niet in de
exploitatiekosten (wel beheer en onderhoud):
Alleen geldig zolang de eenmalige investering niet vervangen hoeft te worden.
Tabel 20: Kosten waterstof – eenmalig investeren
Energie Eenheid Waterstof inkopen
Groene energie
Wind Zon
Investering
eenmalig
[M€] - 28 154.9 284.2
Jaarlijkse
exploitatiekosten
Excl. Subsidie
[M€/jaar] 17.2 18.3 4.6 4.4
Jaarlijkse
exploitatiekosten
Incl. subsidie
[M€/jaar] 17.2 18.3 -4.5* -11.5*
* een negatief bedrag is een overschot (veroorzaakt door de subsidies)
Kosten voor energie (investering + beheer en onderhoud) verwerkt in de
exploitatiekosten:
Alleen geldig zolang de eenmalige investering niet vervangen hoeft te worden.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
48
Tabel 21: Kosten waterstof – alles in een jaarlijks bedrag
Energie Eenheid H2 inkopen
Groene energie
Wind Zon
Jaarlijkse exploitatiekosten
(15 jaar) Excl. subsidie
[M€/jaar] 17.2 21.0 19.5 31.8
Jaarlijkse exploitatiekosten
(20 jaar) Excl. subsidie
[M€/jaar] 17.2 20.5 17.0 27.2
Jaarlijkse exploitatiekosten
(15 jaar) Incl. subsidie
[M€/jaar] 17.2 21.0 10.4 15.9
Jaarlijkse exploitatiekosten
(20 jaar) Incl. subsidie
[M€/jaar] 17.2 20.5 7.9 11.3
4.3.3 Totale kosten
Voor de volledigheid zijn de kosten van zowel de aanpassing van materieel en
tankvoorzieningen samengevoegd met de verschillende manieren om aan waterstof
te komen.
Eenmalig investeren met energiekosten (investering) niet in de
exploitatiekosten (wel beheer en onderhoud):
Alleen geldig zolang de eenmalige investering niet vervangen hoeft te worden.
Tabel 22: Totale kosten – eenmalig investeren
Totale kosten Eenheid Waterstof inkopen
Groene energie
Wind Zon
Investering
eenmalig
[M€] 147.7 175.7 302.6 431.9
Jaarlijkse
exploitatiekosten
Excl. Subsidie
[M€/jaar] 19.0 20.1 6.35 6.15
Jaarlijkse
exploitatiekosten
Incl. subsidie
[M€/jaar] 19.0 20.1 -2.75* -9.75*
* een negatief bedrag is een overschot (veroorzaakt door de subsidies)
Deze bedragen kunnen worden vergeleken met de huidige exploitatiekosten bij
continuering met de huidige dieseltreinstellen. Uitgaande van de hier gebruikte
dienstregeling is de inschatting dat de jaarlijkse exploitatiekosten 13,7 miljoen euro
bedragen (ook exclusief beheer- en onderhoudskosten voor het materieel).
Kosten voor energie (investering + beheer en onderhoud) verwerkt in de
exploitatiekosten:
Alleen geldig zolang de eenmalige investering niet vervangen hoeft te worden.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
49
Tabel 23: Totale kosten – alles in een jaarlijks bedrag
Totale kosten Eenheid H2 inkopen
Groene energie
Wind Zon
Jaarlijkse exploitatiekosten
(15 jaar) Excl. subsidie
[M€/jaar] 33.2 37.0 35.5 47.8
Jaarlijkse exploitatiekosten
(20 jaar) Excl. subsidie
[M€/jaar] 30.8 34.1 30.6 40.8
Jaarlijkse exploitatiekosten
(15 jaar) Incl. subsidie
[M€/jaar] 33.2 37.0 26.4 31.9
Jaarlijkse exploitatiekosten
(20 jaar) Incl. subsidie
[M€/jaar] 30.8 34.1 21.5 24.9
4.4 Kosten voor de spoorlijnen Leeuwarden – Groningen Europapark en Groningen – Bremen
Voor de spoorlijnen Leeuwarden – Groningen Europapark en Groningen – Bremen is
de benodigde hoeveelheid waterstof 6300 kg per dag van de in totaal voor alle
regionale treindiensten benodigde 11000 kg per dag. De kosten voor de spoorlijnen
Leeuwarden – Groningen Europapark en Groningen – Bremen kunnen daarom
worden gebaseerd op de kosten van alle spoorlijnen en vermenigvuldigd met de
factor (63/110 ofwel ongeveer 0.57).
4.5 Conclusie
Voor alle varianten van waterstof levering of productie is een investering in materieel
en infrastructuur (tankinstallaties) vereist. De prijs voor waterstof is daarmee
maatgevend. Waterstof kan ofwel afgenomen van derde partijen ofwel geproduceerd
worden met behulp van ingekochte of zelf geproduceerde energie (wind of zon).
Uit voorgaande tabel blijkt dat, zonder rekening te houden met subsidies, inkoop van
waterstof het aantrekkelijkst is bij afschrijving in 15 jaar en dat inkoop van waterstof
en het zelf opwekken van windenergie vrijwel gelijke exploitatielasten komen bij
afschrijving in 20 jaar.
Echter, rekening houdend met de huidige subsidies worden de laagste jaarlijkse
kosten gerealiseerd door te investeren in het zelf opwekken van windenergie, gevolgd
door zonnepanelen.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
50
5 CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN
5.1 Samenvatting
Dit onderzoek was gericht op het inzicht krijgen in de effecten op de exploitatie
alsmede de consequenties met betrekking tot de investeringen van exploitatie met
waterstof en batterijen.
Om vergelijkbare prestaties te behalen als met het huidige materieel is bekeken wat
de benodigde capaciteit van de waterstof brandstofcel en batterijen (in dit geval
supercaps) is. Op basis daarvan is de energiebehoefte in kg waterstof per dag (en per
jaar) vastgesteld voor zowel de spoorlijnen Leeuwarden – Groningen Europapark en
Groningen –Bremen als de overige regionale treindiensten. De benodigde
hoeveelheid waterstof komt dan voor de eerstgenoemde lijnen neer op 6300 kilogram
per dag en voor alle regionale treindiensten op ongeveer 11000 kilogram per dag.
Deze 11000 kilogram per dag komt overeen met 3,5 miljoen kilogram per jaar.
Op tankplaatsen kan deze waterstof in de treinen worden getankt. Tankplaatsen zijn
in ieder geval voorzien nabij de opstelterreinen in Groningen en Leeuwarden. De
capaciteit van deze tankplaatsen is vergeleken bij de bestaande tankplaatsen
(wereldwijd) voor waterstof zodanig groot dat een nader onderzoek naar de
veiligheidsaspecten van de opslag van waterstof en de tankplaatsen wordt
aangeraden.
Waterstof kan worden verkregen als (rest)product van de industrie, of (ter plaatse)
worden opgewekt met behulp van elektrolyse apparatuur en elektriciteit. Als waterstof
wordt verkregen van de industrie is in ieder geval transport naar de tanklocaties nodig
en (voldoende) opslag ter plaatse. De benodigde hoeveelheid waterstof is zodanig dat
dit ongeveer de maximaal beschikbare capaciteit van een leverancier in de
Noordelijke provincies betreft. Gezien de benodigde grote hoeveelheden waterstof, de
nog afwezige mogelijkheden voor waterstoftransport per spoor en de beperkte
transportcapaciteit van tubetrailers is in het transport van waterstof naar de
tanklocaties nog een optimalisatie te behalen.
Als waterstof wordt opgewekt met behulp van elektrolyse apparatuur, dan is energie
benodigd die kan worden verkregen als groene energie uit het elektriciteitsnet of door
zelf duurzame energie op te wekken met windmolens of zonnepanelen.
5.2 Conclusies
Uit het onderzoek blijkt dat het rijden van de treinen op een combinatie van waterstof
en supercaps mogelijk is, maar zich nog in de voorfase bevindt. Qua planning is de
verwachting dat er vanaf circa 2020 al treinstellen in kunnen stromen en in 2022 –
2024 een volledige exploitatie kan worden uitgevoerd.
Voor alle varianten van treinen op waterstof is een investering in materieel en
infrastructuur (tankinstallaties) vereist. De beschouwde varianten (inkoop waterstof,
opwekken waterstof met energie uit verschillende energiebronnen) verschillen
daarmee uiteindelijk alleen in de prijs van de waterstof.
Waterstof kan ofwel afgenomen van derde partijen ofwel geproduceerd worden met
behulp van ingekochte of zelf geproduceerde energie (wind of zon).
Bij de berekening van de kosten blijkt dat, zonder rekening te houden met subsidies,
inkoop van waterstof het aantrekkelijkst is bij afschrijving in 15 jaar en dat inkoop van
waterstof en het zelf opwekken van windenergie vrijwel gelijke exploitatielasten
komen bij afschrijving in 20 jaar.
Echter, rekening houdend met de huidige subsidies worden de laagste jaarlijkse
kosten gerealiseerd door te investeren in het zelf opwekken van windenergie, gevolgd
door zonnepanelen.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
51
5.3 Aanbevelingen voor verder onderzoek
In vervolgonderzoek is het aan te bevelen:
• De veiligheidsaspecten van de opslag van waterstof en de tankplaatsen nader te
onderzoeken, omdat dit een beperkende impact kan hebben op de exploitatie van
de treindienst met waterstof.
• De mogelijkheden voor efficiënt en veilig transport van waterstof nader te
onderzoeken, om de tankplaatsen zowel qua aantal transportbewegingen en
veiligheid optimaal te kunnen bevoorraden.
• In gesprek te gaan met potentiële waterstof leveranciers in de regio.
• De mogelijkheden (en kosten) voor zowel tankplaatsen als elektrolyse (opwekking)
van waterstof meer in detail te beschouwen, omdat deze installaties een zeer grote
capaciteit hebben vergeleken met de huidige praktijk.
5.4 Dankwoord
Graag bedanken wij de volgende organisaties en personen voor hun bijdrage aan het
beantwoorden van vragen (op alfabetische volgorde):
• AEP Hybrid Power; Daniel Vermeij, Sales Engineer.
• Akzo Nobel: Joost Sandberg, Renewable Energy Development Manager.
• Alstom; Erik Geensen, Sales Manager.
• Arriva: Frank van Setten, Adjunct-directeur Trein.
• ECN: Marcel Weeda, Senior researcher Hydrogen Transition & Infrastructure.
• Hydrogenics; Guy Verkoeyen en Mark Kammerer, sales managers.
• Nedstack; Alex Blaj, Electrical Specialist Nedstack PEM fuel cells.
• Stadler; Michael Schwarz en Michael Kling, Director Marketing & Sales The
Netherlands, UK, Scandinavia, Finland respectievelijk Head of Product- and
Tender Engineering.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
52
6 VERWIJZINGEN
[1] Crystal Energy Projects BV, „Haalbaarheidsonderzoek: "Wat is er in Overijssel nodig om
het rijden op waterstof te realiseren",” Enschede, 2010.
[2] ECN, „Large-scale rollout of hydrogen powered fuel cell cars in the Netherlands,” 17 March
2010.
[3] ECN, „Economic analysis of HRS network build-up in the Netherlands,” 3 July 2015.
[4] National Renewable Energy Laboratory, „Comparing Hydrogen Station Cost Calculator
Results with other Recent Estimates,” September 2013.
[5] ECN, „Eindadvies basisbedragen SDE+ 2014,” September 2013.
[6] ECN, „Eindadvies basisbedragen SDE+ 2016,” April 2015.
[7] Stichting Monitoring Zonnestroom i.o.v. Agentschap NL, „Inventarisatie PV markt
Nederland; Prijsontwikkelingen in 2013,” Stichting Monitoring Zonnestroom, 2013.
[8] ECN i.o.v. Ministerie van Economische Zaken, „Berekening basisbedragen hernieuwbare
elektriciteit,” ECN, 2008.
[9] R. Gupta, Hydrogen Fuel: Production, transport & storage, CRC Press, 2008.
[10] ECN, „Nationale Energieverkenning 2014,” 2014.
[11] Onderzoeksraad voor Veiligheid, Brand in een aardgasbus, Sept 2013.
[12] Brandweer Amsterdam-Amstelland, Handreiking voor optreden tijdens incidenten met
waterstoftoepassingen, 2010.
[13] KIWA, Inventarisatie risico’s rijden met waterstofvoertuigen, Sept 2011.
[14] NEN, NPR 8099-2010: Waterstoftankstations – Richtlijn voor de brandveilige,
arbeidsveilige en milieuveilige toepassing van installaties voor het afleveren van waterstof
aan voer- en vaartuigen, Aug 2010.
[15] Tebodin, H2 refuelling station/Air Liquide, doc.nr. 3413547, Mei 2013.
[16] NEN/PGS-programmaraad, „PGS 35: “Waterstof: afleverinstallaties voor wegvoertuigen”
versie 1.0 en het begeleidend schrijven “Report: Internal safety distances for PGS 35”.,”
April 2015.
[17] ECN, „Conceptadvies basisbedragen SDE+ 2015 voor marktconsultatie,” ECN, 2014.
[18] Pondera Consult in opdracht van Agentschap NL, „Kosten en baten windpark op land,”
Ministerie van Economische Zaken, 2009.
[19] C. E. J. M. T. Neumann, „Study on the Current Cost Situation of Wind Energy Use in
Germany 2002,” DEWI, p. 9, 2002.
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
53
BIJLAGE A BEPALING AANTAL TREINSTELLEN
Treindienst Rijtijd Frequentie Omlopen Treinen Totaal treinen Opmerkingen
Roodeschool – Winschoten 210 2 7 2 14
Delfzijl – Veendam 150 2 5 2 10 Krappe keertijden (5 + 3)
Leeuwarden – Groningen Europapark 90 2 3 3 9 Sneltrein
Leeuwarden – Groningen 120 2 4 2 8 Stoptrein
Leeuwarden – Harlingen 180 1 3 2 6
Leeuwarden – Sneek 60 2 2 2 4
Leeuwarden – Stavoren 120 1 2 2 4
Groningen – Zuidbroek 120 1 2 2 4
Groningen – Bremen Hbf 360 1 6 2 12 Keertijd Bremen 48 minuten
Totaal voor exploitatie 71
Exploitatieve reserve 4
Totaal aantal treinen GTW 2/8
75 Bestaande materieelpark 51 treinstellen (16 GTW 2/6 en 35 GTW 2/8)
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
54
BIJLAGE B INVESTERINGSKOSTEN AANPASSING MATERIEEL
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
55
BIJLAGE C INVESTERINGSKOSTEN TANKSTATIONS
ONDERZOEK BATTERIJ-WATERSTOFTREIN
56
Arcadis Nederland B.V.
Postbus 220
3800 AE Amersfoort
Nederland
+31 (0)88 4261261
www.arcadis.com
Projectnummer: D04021.000555
Onze referentie: 078901169 B
Recommended